Un biorreactor de fibra hueca es un sistema de cultivo celular tridimensional basado en fibras huecas, que son pequeñas membranas capilares semipermeables dispuestas en paralelo con un rango de corte de peso molecular (MWCO) típico de 10-30 kDa. Estas membranas de fibra hueca a menudo se agrupan y alojan dentro de carcasas tubulares de policarbonato para crear cartuchos de biorreactor de fibra hueca. Dentro de los cartuchos, que también están equipados con puertos de entrada y salida, hay dos compartimentos: el espacio intracapilar (IC) dentro de las fibras huecas y el espacio extracapilar (EC) que rodea las fibras huecas.
Las células se siembran en el espacio EC del biorreactor de fibras huecas y allí se expanden. El medio de cultivo celular se bombea a través del espacio IC y suministra oxígeno y nutrientes a las células mediante perfusión de membrana de fibra hueca. A medida que las células se expanden, sus productos de desecho y CO 2 también perfunden las membranas de fibra hueca y son arrastrados por el bombeo de medio a través del espacio IC. A medida que se acumulan productos de desecho debido al aumento de la masa celular, también se puede aumentar la velocidad del flujo del medio para que el crecimiento celular no sea inhibido por la toxicidad de los productos de desecho.
Debido a que se pueden empaquetar miles de fibras huecas en un solo biorreactor de fibras huecas, aumentan considerablemente el área superficial del cartucho. Como resultado, las células pueden llenar el espacio EC hasta densidades >108 células /ml. Sin embargo, el cartucho en sí ocupa un volumen muy pequeño (a menudo el volumen de una lata de refresco de 12 onzas). El hecho de que los biorreactores de fibra hueca sean muy pequeños y, sin embargo, permitan densidades celulares increíblemente altas ha llevado a su desarrollo tanto para investigación como para aplicaciones comerciales, incluida la producción de anticuerpos monoclonales y vacunas contra la influenza [1] . Del mismo modo, debido a que los biorreactores de fibra hueca utilizan significativamente menos medio y factores de crecimiento que los métodos tradicionales de cultivo celular, como los biorreactores de tanque agitado, ofrecen un ahorro de costos significativo. Por último, los biorreactores de fibra hueca se venden como desechables de un solo uso, lo que supone un importante ahorro de tiempo para el personal y los técnicos del laboratorio.
En 1972, el grupo de Richard Knazek [2] del NIH informó cómo fibroblastos de ratón cultivados en membranas capilares de fibra hueca de 1,5 cm 3 compuestas de acetato de celulosa podían formar nódulos de 1 mm de ancho en 28 días. El grupo registró el número final de células como aproximadamente 1,7 x 10 7 células de un lote inicial de sólo 200.000 células. Cuando el mismo grupo cultivó células de coriocarcinoma humano en membranas capilares de policarbonato polimérico y de silicona con un volumen total de menos de 3 cm 3 , las células se expandieron a una cantidad aproximada de 2,17 x 10 8 células.
El grupo Knazek obtuvo la patente de la tecnología de biorreactores de fibra hueca en 1974. [3] Basándose en esta tecnología patentada, las empresas comenzaron a construir biorreactores de fibra hueca diferentes y de mayor escala (comerciales), con un importante desarrollo y mejora tecnológica a finales de los años 1980 hasta principios de los años 1990. En 1990, se informó que al menos tres empresas ofrecían biorreactores de fibra hueca disponibles comercialmente. [4]
Un avance de ingeniería incluyó la adición de un cartucho de intercambio de gases, que permitió un mejor control de los niveles de pH y oxígeno del sistema . De manera similar a un pulmón de mamífero , el cartucho de intercambio de gases oxigenó eficientemente el medio de cultivo, lo que permitió que el biorreactor soportara una mayor cantidad de células. Combinadas con la capacidad de agregar o eliminar CO 2 para un control preciso del pH, se eliminaron las limitaciones comúnmente asociadas con el cultivo celular a gran escala, lo que resultó en cultivos celulares densamente empaquetados que podrían mantenerse durante varios meses.
Además, el control de la dinámica de fluidos dentro de cada biorreactor de fibra hueca condujo a una mayor optimización del entorno de cultivo celular. Al alternar el gradiente de presión a través de la membrana de fibra hueca, los medios podrían fluir hacia adelante y hacia atrás entre el lado EC (compartimento celular) y el lado IC (lumen de fibra hueca). Este proceso, combinado con el flujo de medio axial creado cuando el medio pasa a lo largo de las fibras, optimizó el entorno de crecimiento en todo el biorreactor.
Este concepto se denomina ciclo EC [5] y se desarrolló como una solución a los gradientes que se forman dentro de los biorreactores de fibra hueca cuando el medio se empuja a lo largo de sus fibras. Una presión hidrostática más alta en el extremo axial (medio que ingresa al lumen de la fibra) en comparación con el extremo distal del biorreactor crea un flujo Starling en el espacio EC, que es similar a lo que se observa en el cuerpo. Este fenómeno también crea una región axial rica en nutrientes y una región distal empobrecida en nutrientes dentro del biorreactor. Al incorporar el ciclo de EC, se eliminan los efectos del flujo de Starling y todo el biorreactor se vuelve rico en nutrientes y optimizado para el crecimiento celular.
Se deben lograr tasas de perfusión espacial óptimas de IC y EC para administrar eficientemente los nutrientes del medio y los suplementos de crecimiento, respectivamente, y recolectar el sobrenadante. Durante la fase de crecimiento celular dentro de estos biorreactores, la velocidad de alimentación del medio aumenta para adaptarse a la población celular en expansión. Más específicamente, la tasa de perfusión del medio IC aumenta para proporcionar glucosa y oxígeno adicionales a las células mientras se eliminan continuamente desechos metabólicos como el ácido láctico . Cuando el espacio celular está completamente lleno de células, la velocidad de alimentación del medio se estabiliza, lo que resulta en un consumo constante de glucosa , absorción de oxígeno y tasas de producción de lactato.
Con la introducción de la tecnología de hibridoma en 1975, [6] el cultivo celular pudo aplicarse a la generación de proteínas secretadas como anticuerpos monoclonales, hormonas de crecimiento e incluso algunas categorías de vacunas. Para producir estas proteínas a escala comercial, fue necesario desarrollar nuevos métodos para cultivar grandes lotes de células. Uno de esos avances tecnológicos fue el biorreactor de fibra hueca.
Los biorreactores de fibra hueca se utilizan para generar altas concentraciones de productos derivados de células, incluidos anticuerpos monoclonales, proteínas recombinantes , factores de crecimiento, virus y partículas similares a virus. Esto es posible porque las membranas semipermeables de fibra hueca permiten el paso de nutrientes y desechos de bajo peso molecular desde la EC que contiene células al espacio IC que no contiene células, pero no permiten el paso de productos más grandes como anticuerpos. Por lo tanto, cuando una línea celular (p. ej., hibridoma) se expande y expresa una proteína diana, esa proteína permanece dentro del espacio EC y no se elimina. En un momento dado (o continuamente durante el cultivo), el sobrenadante de la cosecha (producto) se recolecta, clarifica y refrigera para una futura aplicación posterior.
Los biorreactores de fibra hueca más pequeños se utilizan a menudo para la selección y optimización de líneas celulares [7] [8] antes de pasar a sistemas de cultivo celular más grandes. Hacerlo ahorra costos de factores de crecimiento porque una porción significativa de los medios de cultivo celular no requiere la adición de componentes costosos como el suero bovino fetal. Asimismo, los biorreactores de fibra hueca más pequeños se pueden alojar en una incubadora de laboratorio, al igual que las placas y los matraces de cultivo celular.
Recientemente, se han probado biorreactores de fibra hueca como plataformas novedosas para la producción comercial de virus de la influenza A de alto título. [9] En este estudio, las células epiteliales del riñón canino Madin-Darby (MDCK), tanto adherentes como en suspensión, se infectaron con dos cepas diferentes de influenza: A/PR/8/34 (H1N1) y la cepa pandémica A/Mexico/4108. /2009 (H1N1). Se lograron títulos altos tanto para la suspensión como para las cepas adherentes; Además, la tecnología del biorreactor de fibra hueca resultó comparable en su capacidad de producción a la de otros biorreactores comerciales en el mercado, incluidos los biorreactores clásicos de tanque agitado y de onda (Wave) y los sistemas de perfusión ATF.