Using a pneumatic bioreactor, we demonstrate the assembly, operation, and performance of this single-use bioreactor system for the growth of mammalian cells.
Recent advances in mammalian, insect, and stem cell cultivation and scale-up have created tremendous opportunities for new therapeutics and personalized medicine innovations. However, translating these advances into therapeutic applications will require in vitro systems that allow for robust, flexible, and cost effective bioreactor systems. There are several bioreactor systems currently utilized in research and commercial settings; however, many of these systems are not optimal for establishing, expanding, and monitoring the growth of different cell types. The culture parameters most challenging to control in these systems include, minimizing hydrodynamic shear, preventing nutrient gradient formation, establishing uniform culture medium aeration, preventing microbial contamination, and monitoring and adjusting culture conditions in real-time. Using a pneumatic single-use bioreactor system, we demonstrate the assembly and operation of this novel bioreactor for mammalian cells grown on micro-carriers. This bioreactor system eliminates many of the challenges associated with currently available systems by minimizing hydrodynamic shear and nutrient gradient formation, and allowing for uniform culture medium aeration. Moreover, the bioreactor’s software allows for remote real-time monitoring and adjusting of the bioreactor run parameters. This bioreactor system also has tremendous potential for scale-up of adherent and suspension mammalian cells for production of a variety therapeutic proteins, monoclonal antibodies, stem cells, biosimilars, and vaccines.
懸濁液中で成長する細胞は、凝集体として成長した細胞、および細胞基質に係留成長する:哺乳動物細胞株は、その増殖特性に基づいて3つのカテゴリに分類することができる。このビデオで実証エア輪バイオリアクターは、細胞の3種類すべてを成長することができるが、このビデオは、マイクロキャリア上で足場依存性細胞を増殖させるバイオリアクターの使用を実証します。細胞自体が生成物である – 足場依存性哺乳類細胞は、より多くの細胞を産生する目的のために成長させることができる。例えば、ヒト骨髄由来間葉系幹細胞は、現在、細胞を採取し、病変組織にそれらを注入する目的で栽培されている。このビデオで実証空気圧バイオリアクターは、このアプリケーションのためのそのような間葉系幹細胞の産生に好適であることが判明した(セラら 、私信、2013)。
アンカレッジDEPendent哺乳動物細胞は、典型的には、それらが特別に処理された成長表面1に付着した細胞培養プレート、細胞培養フラスコまたはローラーボトルのような2D培養容器の小さなスケールを成長させる。より多くの細胞が望まれる場合、プレートまたはフラスコを、より多くのまたはより大きな血管を使用することによって拡張することができる。しかし、より費用対効果の足場依存性細胞の大量培養、細胞付着のための表面積を増大させるためのマイクロキャリアと呼ばれる小さな固体ビーズを使用することによって達成することができる。細胞の付着特性に応じて、マイクロキャリアのいくつかの異なるタイプは、デキストラン、ペプチド、またはコラーゲンコーティングされたように、市販されている。マイクロキャリアは、細胞増殖のための大きな表面積を提供体積比に大きな表面積を有し;マイクロキャリアは、細胞がバイオリアクターシステム2で高密度に培養されることを可能にする撹拌で懸濁状態に維持することができる。現在、bioreaの種類接着細胞は、マイクロキャリア上で増殖させるのコンスは、細胞コーティングされたマイクロキャリアの懸濁を維持するために、軸方向翼を使用するスピナーフラスコおよび撹拌タンクシステムを含む。
いくつかの要因は、酸素圧、剪断応力、表面マトリックス、および栄養および代謝物の濃度を含む細胞の培養に成功にとって重要である。バイオリアクターの使用は、増殖条件および有意に低い生産コスト1の電位のリアルタイムモニタリングを可能にする。を含む、 インビトロ細胞培養、撹拌した懸濁液、回転壁容器、中空繊維、ロッカープラットフォーム上でバッグ、バイオリアクター、流動床システム3のためのいくつかの一般的なバイオリアクターの設計がある。これらのシステムの多くは、高コスト、栄養濃度勾配が、流体力学的剪断、細胞凝集、困難サンプリングにおいて、監視、および制御するセルとして、細胞培養のための固有の問題を提示し-upスケールリットルスケールアップ。
各種の付着細胞株は、ウイルスワクチンの生産にまたは遺伝子治療適用のためのウイルスベクターの生産のためのいずれかの、ウイルスの産生に使用されている。このビデオでは、単回使用の空気圧(エアホイール)バイオリアクターシステムを用いて、本発明者らは、ヒト肺癌細胞(A549)腫瘍崩壊アデノウイルスの産生のためのマイクロキャリア上の細胞の培養を示す。空気圧バイオリアクターの設計は、バイオリアクターの底に散布したガスの浮力によって供給されて、垂直攪拌ホイールを使用しています。この穏やかな攪拌方法は、流体力学的剪断力を制限するが、それでも最適な培地と細胞を4ミキシングを保証する。撹拌槽型反応器と比較して、空気圧式反応器は、高容量空気ホイールバイオリアクターシステムと低い壁せん断応力( 図1)を有している。攪拌タンクバイオリアクターとは対照的に、この単回使用の反応器の垂直インペラ内のガス気泡流により回転される穏やかで均一な媒質混合( 図2)を可能にする容器。
この単回使用バイオリアクターシステムを使用するのが比較的簡単であり、原子炉監視および分析のためのリアルタイム分析を提供する。これは、3000万人以上の細胞/ mlに達し、セル密度を有する哺乳動物および昆虫細胞培養のための非常に適しています。本報告書11に記載されたA549細胞のほかに、私たちも同様にバイオリアクター中で、SF-9昆虫細胞を成長している。空気圧エアホイールが提供する穏やかな混合は、細胞の損傷を軽減します。この原子炉を設定するときに、いくつかのステップが重要である。まず、適切なpH値のキャリブレーションとは、センサーは培養液の最適なモニタリングのためおよびpHまたは系内の酸素を調整する試薬の添加のために重要であるようにしてください。第二に、試薬およびシードボトルは充填され、ルアーの添付ファイルは、BSCのような無菌環境で行う必要があります。試薬ボトルは、無菌環境の外に移動されると、バイオリアクターフィードラインへの接続は、微生物汚染を避けるために注意して行わなければならない。
<pクラス= "jove_content">このバイオリアクターシステムは、それが細菌培養のために設計されていない哺乳動物および昆虫細胞株に適していますが。システムは、細菌細胞のために必要とされる急速混合し、酸素化を提供することはできません。細菌の増殖は最高の攪拌タンクバイオリアクターで達成される。哺乳動物または昆虫細胞培養のための他の単回使用バイオリアクターと比較して、このシステムは、使いやすいランの分析のための十分なデータを提供し、私たちが評価した他の単回使用システムよりも同等以上の細胞増殖を有している。単回使用空気圧バイオリアクターシステムは、ワクチン、生物学的治療薬の分野における研究および臨床用途の多くを満たす幹細胞、および医学4をパーソナライズする可能性がある。また、このシステムの柔軟性がバッチ、フェドバッチ、灌流、およびトランスフェクションベースのバイオリアクターアプリケーション5を可能にする。最後に、単回使用の使い捨てバイオリアクターシステムはpotenを持つ大規模な工業生産のニーズを満たすためやガイドラインおよび国内外の規制当局6-10の勧告に付着したTiAl。
The authors have nothing to disclose.
This project was support in part by Johns Hopkins University, Office of the Provost through the Gateway Science Initiative.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
PBS 3 | PBS | n/a | |
Single Use Assembly | PBS | n/a | |
Human Lung Carcinoma Cells (A549) | ATCC | CCL-185 | |
DMEM High Glucose Medium | |||
Fetal Bovine Serum | |||
Trypsin EDTA, 0.25% | |||
Cytodex 1 Microcarriers | GE | 3781 | |
Antifoam C | Sigma | A8011 |