باستخدام مفاعل حيوي هوائي ، نوضح تجميع وتشغيل وأداء نظام المفاعل الحيوي أحادي الاستخدام لنمو خلايا الثدييات.
مقالة منهجية
باستخدام مفاعل حيوي هوائي ، نوضح تجميع وتشغيل وأداء نظام المفاعل الحيوي أحادي الاستخدام لنمو خلايا الثدييات.
أدت التطورات الحديثة في زراعة الثدييات والحشرات والخلايا الجذعية وتوسيع نطاقها إلى خلق فرص هائلة للعلاجات الجديدة وابتكارات الطب الشخصي. ومع ذلك ، فإن ترجمة هذه التطورات إلى تطبيقات علاجية سيتطلب أنظمة في المختبر تسمح بأنظمة مفاعلات حيوية قوية ومرنة وفعالة من حيث التكلفة. هناك العديد من أنظمة المفاعلات الحيوية المستخدمة حاليا في البيئات البحثية والتجارية. ومع ذلك ، فإن العديد من هذه الأنظمة ليست مثالية لإنشاء وتوسيع ومراقبة نمو أنواع الخلايا المختلفة. تشمل معلمات الاستزراع الأكثر صعوبة في التحكم في هذه الأنظمة ، تقليل القص الهيدروديناميكي ، ومنع تكوين تدرج المغذيات ، وإنشاء تهوية وسط استزراع موحد ، ومنع التلوث الميكروبي ، ومراقبة وتعديل ظروف الاستزراع في الوقت الفعلي. باستخدام نظام مفاعل حيوي هوائي أحادي الاستخدام ، نوضح تجميع وتشغيل هذا المفاعل الحيوي الجديد لخلايا الثدييات المزروعة على ناقلات دقيقة. يزيل نظام المفاعل الحيوي هذا العديد من التحديات المرتبطة بالأنظمة المتاحة حاليا عن طريق تقليل القص الهيدروديناميكي وتكوين تدرج المغذيات ، والسماح بتهوية وسط استزراع موحد. علاوة على ذلك ، يسمح برنامج المفاعل الحيوي بالمراقبة عن بعد في الوقت الفعلي وضبط معلمات تشغيل المفاعل الحيوي. يتمتع نظام المفاعل الحيوي هذا أيضا بإمكانيات هائلة لتوسيع نطاق خلايا الثدييات الملتصقة والمعلقة لإنتاج مجموعة متنوعة من البروتينات العلاجية والأجسام المضادة وحيدة النسيلة والخلايا الجذعية والبدائل الحيوية واللقاحات.
خطوط خلايا الثدييات يمكن تصنيفها إلى واحدة من ثلاث فئات على أساس الخصائص نموها: الخلايا التي تنمو في التعليق، والخلايا التي تنمو المجاميع والخلايا التي تنمو ترتكز على هذه الركيزة. على الرغم من أن مفاعل حيوي عجلة الهواء موضح في هذا الفيديو هو قادرة على النمو عن ثلاثة أنواع من الخلايا، وهذا الفيديو يظهر استخدام مفاعل حيوي لزراعة الخلايا التابعة مرسى على حاملات الدقيقة. يمكن زراعة خلايا الثدييات تعتمد مرسى لغرض إنتاج المزيد من الخلايا - حيث الخلايا نفسها هي نتاج. على سبيل المثال، يجري حاليا زراعة نخاع المستمدة الخلايا الجذعية الوسيطة العظم البشري بغرض حصاد الخلايا وحقنها داخل الأنسجة المريضة. وقد ثبت مفاعل حيوي هوائي موضح في هذا الفيديو مناسبة لإنتاج مثل هذه الخلايا الجذعية الوسيطة لهذا التطبيق (سيرا آخرون، اتصال شخصي 2013).
مرسى إقلاعوعادة ما تزرع خلايا الثدييات endent نطاق صغير في الأوعية ثقافة 2D مثل لوحات ثقافة الخلية، قوارير زراعة الخلايا، أو زجاجات الأسطوانة، حيث تلتزم سطح النمو معاملة خاصة 1. عندما يتم المطلوب المزيد من الخلايا، لوحات أو قوارير يمكن توسيعها باستخدام أكثر أو أكبر السفن. ومع ذلك، لزراعة فعالة من حيث التكلفة أكثر من كميات كبيرة من الخلايا التابعة مرسى، زيادة مساحة السطح لمرفق الخلية ويمكن تحقيق ذلك باستخدام حبات صلبة صغيرة تسمى الناقلات الصغيرة. اعتمادا على خصائص مرفق الخلية، عدة أنواع مختلفة من الناقلات الصغيرة متوفرة تجاريا، مثل ديكستران، الببتيد، أو الكولاجين المغلفة. حاملات الصغيرة لديها مساحة كبيرة لنسبة حجم توفير مساحة أكبر لنمو الخلايا. وشركات الطيران الصغيرة يمكن الحفاظ في تعليق مع الانفعالات، مما يسمح للخلايا لزراعتها إلى كثافة عالية في أنظمة مفاعل حيوي 2. حاليا، وأنواع bioreactors حيث تزرع الخلايا الملتصقة على حاملات القوارير الصغيرة تشمل الدوار والنظم خزان أثار، والتي تستخدم الضواغط المحورية للحفاظ على تعليق الخلية المغلفة شركات الصغيرة.
عدة عوامل مهمة لنجاح زراعة الخلايا بما في ذلك التوتر الأكسجين، وإجهاد القص، مصفوفة السطح، والمواد الغذائية وتركيزات المستقلب. استخدام المفاعلات الحيوية يسمح للرصد في الوقت الحقيقي من ظروف النمو والقدرة على أقل بكثير من تكاليف الإنتاج 1. هناك العديد من التصاميم مفاعل حيوي مشترك لزراعة الخلايا في المختبر بما في ذلك، أثار تعليق، سفينة الدورية جدار، أجوف الألياف، حقيبة مفاعل حيوي على منصة الروك، وأنظمة قاعدة مميعة 3. العديد من هذه الأنظمة يمثل مشكلة فريدة من نوعها لزراعة الخلايا وتوسيع نطاق -حتى، مثل التكلفة العالية والتدرجات تركيز المغذيات، والقص الهيدروديناميكية، تجميع الخلايا، وصعوبة في أخذ العينات والرصد والسيطرة على سلل نطاق المتابعة.
وتستخدم العديد من خطوط الخلايا الملتصقة في إنتاج الفيروسات، سواء في إنتاج اللقاحات الفيروسية أو لإنتاج النواقل الفيروسية لتطبيقات العلاج الجيني. في هذا الفيديو، وذلك باستخدام استخدام هوائي واحد (الهواء بعجل) نظام مفاعل حيوي، ونحن لشرح ثقافة خلايا سرطان الرئة الإنسان (A549) الخلايا على ناقلات الدقيقة لإنتاج اتش حال الورم. تصميم مفاعل حيوي يستخدم هوائي عجلة التحريض العمودي الذي هو مدعوم من قبل الطفو من الغاز sparged في الجزء السفلي من مفاعل حيوي. يحد هذا الأسلوب التحريك لطيف قوى القص الهيدروديناميكية، ولكن لا يزال يضمن المتوسطة الأمثل وخلية خلط 4. بالمقارنة مع مفاعل أثار خزان، المفاعل هوائي لديه منخفضة التوتر جدار القص حتى مع أنظمة مفاعل حيوي الهواء عجلة كبيرة الحجم (الشكل 1). على النقيض من المفاعلات الحيوية خزان أثار، يتم تشغيل المكره العمودي هذا المفاعل استخدام مرة واحدة من قبل تيار من فقاعات الغاز داخلالسفينة، والذي يسمح لطيف وموحدة خلط المتوسطة (الشكل 2).
1. الدخول
2. المعايرة
3. الأوتوكلاف وتركيب مجسات والسفن الكاشف
4. إضافة المتوسطة ومتناهية حاملات
5. موازنة ونقطة واحد لا معايرة
6. بدء تشغيل
7. تلقيح مع خلايا
8. أخذ العينات
في الشكل 3، وترد المعلمات لبدء المدى مفاعل حيوي. ويظهر هذا الرقم على الشاشة قبل تعيين المعلمات من درجة الحرارة والأكسجين الذائب، ودرجة الحموضة والانفعالات. حالما يتم تعيين المعلمات، ويتم رصد مستمر على المدى المعلمات ويمكن إجراء تعديلات على الحفاظ على الشروط المطلوبة. البرنامج ينتج قراءات مستمرة تسمح لسهولة تحديد المشاكل. في هذه التجربة باستخدام 2.5 لتر من DMEM تحتوي على 10٪ FBS، 250 جزء في المليون من SAFC مكافحة رغوة C، 2 مم L-الجلوتامين و 3 غرام / لتر من الناقلات الصغيرة، واستقر النظام بحيث الأكسجين في المئة هو 50٪، و درجة الحرارة 37 درجة مئوية، ودرجة الحموضة 7.2. يتم تلقيح المفاعل مع خلايا A549 بتركيز 7 × 4 10 خلية / مل (أو 10 خلية / الجزئي الناقل). أسفرت المعلمات الذي تم اختياره لهذا المدى في معظم الخلايا التمسك شركات الطيران الصغيرة في غضون 2 ساعة (الشكل 4). بعد 12 ساعة، والخلايا هي الشياطينعلامات trating من تسطيح وتنتشر على سطح حاملة الصغيرة (الشكل 5). قبل 24 ساعة وناقلات الصغيرة نسبيا حتى يكون التوزيع من الخلايا، مع عدم وجود شركات الصغيرة دون الخلايا وعدم وجود كتل كبيرة من الخلايا على الناقلات الصغيرة (الشكل 6). نسبة صغيرة من الخلايا الناقل الاستعمار A549 هي 75٪ من 24 ساعة و 90٪ بعد ذلك (الشكل 7). واستمرت الخلايا لتنمو باطراد إلى ~ من 1 مليون خلية / مل بعد 48 ساعة (الشكل 8). بعد العدوى عن طريق جرعة من اتش حال الورم (2 × 10 8 virions / مل) في 50 ساعة، زادت الكثافة إلى 1.2 مليون خلية / مل ثم بدأت في الانخفاض مع تقدم العدوى التحللي. كان هناك ~ 10،000 التضخيم أضعاف من اللقاح الفيروسي.
في التجارب السابقة، وجدنا أن مراقبة وضبط تدفق الغاز أمر بالغ الأهمية لتعظيم نمو الخلية (بيانات غير منشورة). بسرعة خلايا المتزايد يمكن أن تستنفد نظام الأكسجين مع مستوى DO انخفض إلى الصفر. بينما استمرت الخلايا في النمو، كان بمعدل أبطأ بكثير. فمن الأهمية بمكان لرصد وضبط تدفق الأكسجين لتلبية مطالب الخلايا خلال مرحلة النمو لوغاريتمي. ويمكن تحليل كل تشغيل للنمو الأمثل وذلك بمقارنة الرقم الهيدروجيني، DO، ودرجة الحرارة مع تعداد خلايا اليومية.

الرقم 1. ديناميات الموائع نظام مفاعل حيوي هوائي (PBS) مقارنة مع خزان مفاعل حيوي النمام قياس قوى القص في أحجام جدار المفاعل المختلفة.

الشكل 2. الهوائية الهواء عجلة مفاعل المكره.
52008 / 52008fig3highres.jpg "/>
الرقم 3. الهوائية الهواء عجلة البرمجيات الشاشة لقطة من المعلمات لبدء تشغيل مفاعل حيوي.

الرقم 4. مايكرو الناقل الاستعمار مع خلايا A549 2 ساعة آخر التلقيح. (متوسط قطرها الصغير الناقل ~ 180 ميكرون.) الرجاء الضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5. 12 ساعة بعد الشروع في الثقافة والخلايا A549 وربط، وتسطيح، وتنتشر على شركات الطيران الصغيرة.5highres.jpg "الهدف =" _ على بياض "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 6. مايكرو حاملات المغلفة مع الخلايا بعد 24 ساعة في الثقافة. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7. نسبة صغيرة الناقل الاستعمار من قبل خلايا A549 بعد التلقيح.

الرقم 8. عدد الخلايا A549 قابلة للحياة في الثقافة قبل وإصابة آخر مع adenovirعلينا ملاحظة أن الخطوة العدوى الفيروسية وقعت في 50 ساعة.
هذا النظام مفاعل حيوي تستخدم مرة واحدة بسيطة نسبيا للاستخدام، ويقدم تحليلات في الوقت الحقيقي لرصد وتحليل المفاعل. وتناسب بشكل جيد للغاية للثقافة خلايا الثدييات والحشرات ذات الكثافة خلية تصل إلى أكثر من 30 مليون خلية / مل. بالإضافة إلى خلايا A549 وصفت في هذا التقرير 11، لقد نمت SF-9 خلايا الحشرات في مفاعل حيوي أيضا. اختلاط اللطيف تقدمها عجلة الهواء الهوائية يقلل من تلف الخلايا. عدة خطوات حاسمة عند إعداد هذا المفاعل. الأولى، معايرة درجة الحموضة والقيام مجسات مهمة لرصد الأمثل للثقافة وإضافة الكواشف لضبط درجة الحموضة أو الأكسجين في النظام. ثانيا، يجب أن تملأ الكاشف والبذور الزجاجات والمرفقات بالتركيبة المحرز في بيئة معقمة مثل BSC. مرة واحدة يتم نقل الزجاجات كاشف للخروج من بيئة معقمة، يجب أن يتم على الاتصالات إلى خطوط تغذية مفاعل حيوي مع الحرص على تجنب التلوث الميكروبي.
ورغم أن هذا النظام مفاعل حيوي يعمل بشكل جيد لخطوط خلايا الثدييات والحشرات ليست مصممة لأنها الثقافات البكتيرية. لا يمكن للنظام توفير خلط السريع والأوكسجين اللازم للخلايا البكتيرية. هو أفضل إنجاز نمو البكتيريا في خزان مفاعل حيوي أثار. بالمقارنة مع غيرها من المفاعلات الحيوية تستخدم مرة واحدة لزراعة الخلايا الثديية أو الحشرات، وهذا النظام سهل الاستخدام، يوفر بيانات كافية لتحليل أشواط، والنمو خلية مماثلة أو أفضل من استخدام نظام واحد آخر لدينا تقييم.استخدام نظام مفاعل حيوي هوائي واحد لديه القدرة على تلبية العديد من البحوث والتطبيقات السريرية في مجالات biotherapeutics، واللقاحات، والخلايا الجذعية، والطب الشخصي 4. بالإضافة إلى ذلك، مرونة هذا النظام يسمح للدفعة، بنك الاحتياطي الفيدرالي دفعة، الإرواء، وترنسفكأيشن التطبيقات القائمة على مفاعل حيوي 5. أخيرا، تستخدم مرة واحدة أنظمة مفاعل حيوي المتاح لديها الهياجللمحاكمة لتلبية احتياجات الإنتاج الصناعي على نطاق واسع والتمسك مبادئ توجيهية وتوصيات الهيئات التنظيمية الوطنية والدولية 6-10.
الكتاب D. جيرو وY. Hashimura هم موظفون من برنامج تلفزيوني للتكنولوجيا الحيوية التي تنتج الكواشف والأدوات المستخدمة في هذه المقالة.
تم دعم هذا المشروع جزئيا من قبل جامعة جونز هوبكنز ، مكتب العميد من خلال مبادرة Gateway Science.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| برنامج تلفزيوني 3 | PBS | ||
| الجمعية ذات الاستخدام الواحد | PBS | ||
| خلايا سرطان الرئة البشرية (A549) | ATCC | CCL-185 | |
| DMEM مصل | |||
| تريبسين EDTA ، 0.25٪ | |||
| Cytodex 1 Microcarriers | GE | 3781 | |
| مضاد الرغوة C | Sigma | A8011 |
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن