Un biorreactor de un solo uso o biorreactor desechable es un biorreactor con una bolsa desechable en lugar de un recipiente de cultivo. Por lo general, se refiere a un biorreactor en el que el revestimiento en contacto con el cultivo celular será de plástico y este revestimiento está recubierto por una estructura más permanente (normalmente, un balancín o un soporte de acero cuboide o cilíndrico). Los biorreactores comerciales de un solo uso han estado disponibles desde finales de la década de 1990 [ cita requerida ] y ahora los fabrican varios productores conocidos (véase más abajo).
Los biorreactores de un solo uso se utilizan ampliamente en el campo del cultivo de células de mamíferos y ahora están reemplazando rápidamente a los biorreactores convencionales.
En lugar de un recipiente de cultivo de acero inoxidable o vidrio, un biorreactor de un solo uso está equipado con una bolsa desechable. La bolsa desechable suele estar hecha de una lámina de plástico de tres capas. Una capa está hecha de tereftalato de polietileno o LDPE para proporcionar estabilidad mecánica. Una segunda capa hecha de PVA o PVC actúa como barrera de gas. Finalmente, una capa de contacto está hecha de PVA o PP . [1] Para aplicaciones médicas, los materiales de un solo uso que entran en contacto con el producto deben estar certificados por la Agencia Europea de Medicamentos o autoridades similares responsables de otras regiones.
En general, existen dos enfoques diferentes para construir biorreactores de un solo uso, que difieren en los medios utilizados para agitar el medio de cultivo.
Algunos biorreactores de un solo uso utilizan agitadores como los biorreactores convencionales, pero con agitadores integrados en la bolsa de plástico. La bolsa cerrada y el agitador están preesterilizados. En uso, la bolsa se monta en el biorreactor y el agitador se conecta a un controlador de forma mecánica o magnética.
Otros biorreactores de un solo uso se agitan mediante un movimiento de balanceo. Este tipo de biorreactor no necesita ningún agitador mecánico dentro de la bolsa de un solo uso. [2] [3]
Tanto los biorreactores de un solo uso con movimiento agitado como con movimiento de balanceo se utilizan hasta una escala de volumen de 1000 litros.
Existen varias variaciones de estos dos métodos. El agitador Kuhner [4] fue diseñado originalmente para la preparación de medios, pero también es útil para el cultivo de células. La tecnología Air Wheel de PBS Biotech utiliza la flotabilidad del suministro de aire para proporcionar potencia rotatoria a un agitador.
La medición y el control de un proceso de cultivo celular mediante un biorreactor de un solo uso suponen un reto, ya que la bolsa en la que se realizará el cultivo es un sistema cerrado y preesterilizado. Los sensores para medir la temperatura, la conductividad, la glucosa, el oxígeno o la presión deben incorporarse en la bolsa durante la fabricación antes de la esterilización. Los sensores no se pueden instalar antes del uso del biorreactor como en el caso convencional. En consecuencia, se deben tener en cuenta algunos desafíos. La bolsa se ensambla, se entrega y se almacena seca, con la consecuencia de que no se pueden utilizar los electrodos de pH habituales. No es posible la calibración o el montaje adicional. Estas limitaciones han llevado al desarrollo de bolsas preconfiguradas con nuevos tipos de sondas analíticas. El valor de pH se puede medir utilizando un parche de tan solo unos milímetros de tamaño. Este parche consiste en una membrana protectora con un tinte sensible al pH detrás. El cambio de pH en el medio de cultivo cambia el pH y el color del tinte. El cambio de color se puede detectar con un láser externo a la bolsa. Este y otros métodos de medición no invasiva se han desarrollado para biorreactores de un solo uso.
La disminución del contacto del producto con las partes/sistemas disminuye los tiempos de calificación y validación al cambiar de un proceso de fabricación de medicamentos a otro. [5] Dado que el proceso de fabricación biofarmacéutica incluye muchos pasos además del uso de biorreactores, las tecnologías de un solo uso se utilizan en todo el proceso de fabricación debido a sus ventajas. Los pasos de bioprocesamiento de un solo uso (SUS) [nota 1] disponibles son: preparación de medios y tampones, recolección de células, filtración, purificación e inactivación de virus. La principal innovación de las tecnologías de un solo uso en esta área de procesamiento ha sido la construcción de bolsas y tubos 2D/3D, lo que reduce el contacto del producto con partes/sistemas que no son de un solo uso. [6]
En comparación con los sistemas de biorreactores convencionales, la solución de un solo uso tiene algunas ventajas. La aplicación de tecnologías de un solo uso reduce las demandas de limpieza y esterilización. Algunas estimaciones muestran ahorros de costos de más del 60% con sistemas de un solo uso en comparación con los biorreactores de acero inoxidable de activos fijos. En la producción farmacéutica, los procedimientos complejos de calificación y validación se pueden hacer más fáciles y, finalmente, conducirán a reducciones de costos significativas. [5] La aplicación de biorreactores de un solo uso reduce el riesgo de contaminación cruzada y mejora la seguridad biológica y del proceso. Las aplicaciones de un solo uso son especialmente adecuadas para cualquier tipo de producto biofarmacéutico.
Una de las principales razones por las que el bioprocesamiento de un solo uso (SUS) [nota 1] es popular entre las compañías farmacéuticas y las organizaciones de fabricación por contrato (CMO) es porque un área/instalación de proceso puede cambiar rápidamente de un proceso (producto farmacéutico) a otro. Esto se debe, como se dijo anteriormente, a procedimientos de calificación y validación reducidos. Esto aumenta la productividad y los costos debido a que se requieren menos recursos y tiempo para cambiar de un proceso a otro. Dado que los medicamentos en la etapa clínica y de I+D (medicamentos precomercializados) no se necesitan en la misma escala que la mayoría de los medicamentos comerciales, a menudo se producen en suites de un solo uso para que la misma área/instalación pueda cambiar rápidamente de un medicamento a otro. A menudo, cuando un medicamento se comercializa, las ventajas de los SUS disminuyen ya que un área/instalación se puede dedicar a un producto, lo que esencialmente elimina la necesidad de flexibilidad, que es la principal ventaja de los SUS. [6] Se estima que ≥85% de la producción de productos farmacéuticos precomerciales utiliza fabricación basada en sistemas de un solo uso. [7] Los sistemas reutilizables de acero inoxidable se vuelven más ventajosos a medida que aumenta la demanda del medicamento y el tamaño del lote, a menudo como resultado de la comercialización de un medicamento. Este no siempre es el caso, ya que se pueden encontrar medicamentos comercializados que se producen en instalaciones o trajes de un solo uso.
Los SUS contienen menos piezas en comparación con los sistemas de fabricación biofarmacéutica convencionales, por lo que se reducen los costos iniciales y de mantenimiento. [6]
El factor limitante para el uso de algunos biorreactores de un solo uso es la transferencia de oxígeno alcanzable, representada por el coeficiente de transferencia de masa específico (k L ) para el área de fase específica (a), lo que resulta en el coeficiente de transferencia de masa de oxígeno volumétrico (k L a). Teóricamente, esto puede verse influenciado por un mayor aporte de energía (aumentando la velocidad del agitador o la frecuencia de balanceo). Sin embargo, dado que los biorreactores de un solo uso se utilizan principalmente para el cultivo celular, el aporte de energía está limitado por la naturaleza delicada de las células. Un mayor aporte de energía conduce a mayores fuerzas de corte que provocan el riesgo de daños celulares. [8] Los biorreactores de un solo uso están disponibles actualmente con un volumen de hasta aproximadamente 1000 L; es por eso que la ampliación es limitada en comparación con los biorreactores convencionales. Sin embargo, un puñado de proveedores están entregando ahora unidades a escala de 2.000 litros y algunos proveedores (Sartorius, Xcellerex, Thermo Scientific HyClone y PBS Biotech) están proporcionando una familia de biorreactores de un solo uso desde la mesa de trabajo hasta la producción a gran escala. Existen tres desafíos para una adopción más rápida y mayor de biorreactores de un solo uso: 1) bolsas y contenedores desechables de mayor calidad y menor costo, 2) más sensores y sondas reutilizables y desechables que puedan proporcionar análisis de alta calidad, incluidos puntos de datos a nivel de cultivo celular en tiempo real, y 3) una familia de biorreactores desde el laboratorio hasta la producción que tenga una ampliación completa del bioproceso. Los proveedores están trabajando para mejorar los materiales y el rendimiento de las bolsas de plástico y también para desarrollar una gama más amplia de sensores y sondas que brinden a los científicos una mayor comprensión de la densidad celular, la calidad y otras métricas necesarias para mejorar los rendimientos y la eficacia del producto. Los nuevos dispositivos de perfusión también se están volviendo populares para ciertas aplicaciones de cultivo celular.
Los aspectos ambientales de los biorreactores de un solo uso son importantes debido a la cantidad de material desechable que se utiliza en comparación con los biorreactores convencionales. No existe una evaluación completa del ciclo de vida que compare los biorreactores de un solo uso con los biorreactores convencionales, pero muchas razones ecológicas respaldan el concepto de los biorreactores de un solo uso. Para una evaluación completa del ciclo de vida, no solo se debe considerar la fabricación, sino también el uso repetido. Incluso la parte principal de un biorreactor de un solo uso no es desechable, sino que se reutilizará continuamente. La bolsa de plástico que se utiliza en lugar de un recipiente de cultivo es desechable, así como todos los subconjuntos integrados, como sensores, tubos y agitadores. La bolsa y todas sus partes están hechas principalmente de plásticos derivados del petróleo. Los conceptos actuales de reciclaje se centran principalmente en la incineración, para recuperar la energía originada a partir del petróleo en forma de calor y electricidad. La mayor parte del petróleo se quemaría de todos modos en centrales eléctricas o automóviles (cita requerida). La quema de los componentes de un solo uso de los biorreactores crea un desvío a través de la ingeniería bioquímica durante su ciclo de vida que no tiene una gran influencia. La fabricación de recipientes de cultivo convencionales de acero inoxidable o vidrio requiere más energía que la fabricación de bolsas de plástico. Usando biorreactores convencionales, el recipiente de cultivo debe limpiarse y esterilizarse después de cada fermentación . La limpieza requiere grandes cantidades de agua, además de ácidos, álcalis y detergentes. La esterilización con vapor a 121 grados C y 1 bar de presión requiere grandes cantidades de energía y grandes cantidades de agua destilada. Esta agua destilada (a menudo llamada "agua para inyección" en la nomenclatura farmacéutica) también debe prepararse gastando una gran cantidad de energía. Una comparación de la evaluación del ciclo de vida de los biorreactores convencionales y de un solo uso parece mucho más favorable para los biorreactores de un solo uso como se esperaba anteriormente. Según un informe de A. Sinclair et al. [9] Los biorreactores de un solo uso ayudarán a ahorrar un 30% de energía eléctrica para su funcionamiento, un 62% del aporte energético para la producción del sistema, un 87% de agua y finalmente un 95% de detergentes, todo ello en comparación con los biorreactores convencionales.