Overview dell'ingegneria dei bioprocessi
Il bioprocessing è un metodo che utilizza organismi viventi per produrre un prodotto target desiderato. Spesso, il bioprocessing si riferisce all'uso…
L'ingegneria dei bioprocessi è un campo che utilizza molte discipline ingegneristiche per produrre un prodotto specifico da organismi viventi. Tipicamente, gli organismi sono cellule geneticamente modificate che sono progettate per produrre una specifica proteina o sostanza chimica del prodotto. Le cellule vengono poi coltivate su larga scala al fine di produrre il prodotto che viene successivamente purificato utilizzando processi a valle, come la cromatografia. Questo video introdurrà un esempio di bioprocesso, esaminerà i metodi di spicco nel campo, nonché alcune sfide e applicazioni chiave della tecnologia.
Diamo un'occhiata a un esempio di bioprocesso che utilizza le cellule per produrre una proteina prodotto. In primo luogo, viene selezionato l'organismo, che può essere batterico, fungino o mammifero, a seconda della sua capacità di produrre il prodotto desiderato. Le cellule sono geneticamente modificate per massimizzare la loro capacità di produrre il prodotto e ridurre al minimo i processi collaterali non necessari. Le cellule modificate vengono coltivate su larga scala chiamata processo a monte. Una tecnica a monte comune è una coltura in sospensione, che utilizza un bioreattore a vaso per far crescere la coltura cellulare. La coltura viene espansa e la densità cellulare aumenta passando a volumi sempre più grandi. Una volta che la coltura ha raggiunto il volume desiderato, la proteina prodotto viene raccolta dalle cellule, sia attraverso la secrezione, dove le cellule sputano fuori la proteina, o per lisi, dove la cellula viene rotta per rilasciarla. Il prodotto viene quindi purificato nel processo a valle per rimuovere contaminanti come detriti cellulari e altre proteine. Un tipico processo a valle utilizza molti tipi di tecnologia in serie per purificare e concentrare il prodotto. La filtrazione viene spesso utilizzata prima per rimuovere detriti cellulari e particolato di grandi dimensioni. La cromatografia è un'altra tecnologia utilizzata per isolare e concentrare la proteina di interesse. Il prodotto finale purificato viene quindi liofilizzato, o liofilizzato, per stabilizzare la proteina per la conservazione. I bioprocessi tipici vengono prima progettati su scala di laboratorio, quindi scalati su scala pilota, prima di ulteriori ridimensionature per la produzione. Ora che abbiamo introdotto un bioprocesso di base, diamo un'occhiata ad alcuni metodi importanti nel campo.
La coltura cellulare di mammiferi è più spesso utilizzata nella produzione industriale di terapie proteiche ricombinanti. Le cellule ovario di criceto cinese, o cellule CHO, sono uno dei tipi di cellule più comuni utilizzati. A differenza delle cellule batteriche, le cellule di mammifero sono in grado di apportare complesse modifiche post-traduzionali alle proteine. Queste modifiche sono cambiamenti strutturali o chimici apportati alla proteina dopo che è stata tradotta nel ribosoma. Questo è essenziale per produrre strutture complesse che sono necessarie per le proteine terapeutiche. La coltura cellulare di mammiferi richiede attente considerazioni durante la crescita, poiché le cellule sono più sensibili delle cellule batteriche. È necessaria un'aerazione efficace. Tuttavia, i danni da taglio devono essere ridotti al minimo. È inoltre necessario un ambiente omogeneo ben controllato, con un rigoroso controllo del pH e della temperatura e una rapida rimozione dei prodotti tossici. I processi industriali sono scalati per produrre un elevato volume del prodotto. Lo scale-up non è così facile come semplice aumentare proporzionalmente il volume e quindi le dimensioni dell'apparecchiatura. Viene utilizzato un fattore di scala, che è il rapporto tra il flusso di massa dell'unità a grandezza reale e l'unità pilota. I fattori di scala vengono utilizzati per determinare le dimensioni dei reattori a serbatoio geometricamente simili. Ad esempio, quando il volume scala, con il fattore di scala S, il diametro del serbatoio scala con S a 1/3. Ciò è dovuto alle limitazioni di massa e trasferimento di calore con il volume del serbatoio più grande.
La produzione di prodotti biologici utilizza organismi viventi, che sono suscettibili di contaminazione. Gli organismi contaminanti possono essere batteri, funghi o virus e possono derivare da personale, materiali o attrezzature utilizzati nella produzione. La contaminazione microbica introduce variabilità del prodotto e può causare la degradazione delle proteine del prodotto. Molti bioprocessi sono utilizzati per produrre prodotti farmaceutici, che sono fortemente regolati dalle agenzie governative per garantire che siano sicuri ed efficaci. Il farmaco stesso passa prima attraverso rigorosi test di laboratorio e studi clinici. Una volta che il farmaco è stato approvato, anche il processo di produzione deve essere sottoposto a esame e approvazione. La regolamentazione, sebbene essenziale per garantire un prodotto finale sicuro, comporta ulteriori vincoli sul processo di ingegneria. Rigorose limitazioni sono poste su parametri, come reagenti consentiti, contaminanti e concentrazioni.
Ora che hai visto alcune delle tecniche e delle sfide comuni nel bioprocessing, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni del mondo reale. A differenza dei farmaci a piccole molecole come l'aspirina e il paracetamolo, molti farmaci complessi sono proteine ricombinanti e sono prodotti tramite bioprocessing. Le terapie proteiche ricombinanti sono rapidamente aumentate negli ultimi 25 anni, con dozzine di terapie mirate. AIDS, cancro, malattie infettive, guarigione delle ferite, disturbi nutrizionali, ictus e shock settico sono solo alcune delle aree in cui le terapie proteiche sono offerte come terapia. Il bioprocessing viene anche utilizzato per produrre biocarburanti, come l'etanolo. L'etanolo è prodotto da materiale cellulosico, come canna da zucchero o mais. Il processo inizia con l'isolamento della cellulosa dalle materie prime, seguito dall'idrolisi enzimatica e dalla fermentazione con lievito. Questo bioprocesso viene eseguito su scala di produzione al fine di produrre grandi quantità di etanolo per l'energia alternativa.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE al bioprocessing. Ora dovresti capire il bioprocesso di base, alcuni metodi e sfide comuni, nonché le applicazioni della tecnologia. Grazie per l'attenzione.
L'ingegneria dei bioprocessi è un campo che utilizza molte discipline ingegneristiche per produrre un prodotto specifico da organismi viventi. In genere, gli organismi sono cellule geneticamente modificate che vengono ingegnerizzate per produrre una specifica proteina o sostanza chimica. Le cellule vengono poi coltivate su larga scala per produrre il prodotto che viene successivamente purificato utilizzando processi a valle, come la cromatografia. Questo video introdurrà un esempio di bioprocesso, esaminerà i principali metodi sul campo, nonché alcune sfide e applicazioni chiave della tecnologia.
Diamo un'occhiata a un esempio di bioprocesso che utilizza le cellule per produrre una proteina prodotto. Innanzitutto, viene selezionato l'organismo, che può essere batterico, fungino o mammifero, a seconda della sua capacità di produrre il prodotto desiderato. Le cellule sono geneticamente modificate per massimizzare la loro capacità di produrre il prodotto e ridurre al minimo i processi collaterali non necessari. Le cellule modificate vengono coltivate su larga scala chiamato processo a monte. Una tecnica comune a monte è una coltura in sospensione, che utilizza un bioreattore a vaso per far crescere la coltura cellulare. La coltura viene espansa e la densità cellulare aumenta passando a volumi sempre più grandi. Una volta che la coltura ha raggiunto il volume desiderato, la proteina prodotta viene raccolta dalle cellule, attraverso la secrezione, dove le cellule sputano fuori la proteina, o per lisi, dove la cellula viene rotta per rilasciarla. Il prodotto viene quindi purificato nel processo a valle per rimuovere contaminanti come detriti cellulari e altre proteine. Un tipico processo a valle utilizza molti tipi di tecnologia in serie per purificare e concentrare il prodotto. La filtrazione viene spesso utilizzata per rimuovere i detriti cellulari e il particolato di grandi dimensioni. La cromatografia è un'altra tecnologia utilizzata per isolare e concentrare la proteina di interesse. Il prodotto finale purificato viene quindi liofilizzato, o liofilizzato, per stabilizzare la proteina per la conservazione. I bioprocessi tipici vengono prima progettati su scala di laboratorio, quindi scalati su scala pilota, prima di essere ulteriormente scalati per la produzione. Ora che abbiamo introdotto un bioprocesso di base, diamo un'occhiata ad alcuni metodi importanti nel campo.
La coltura cellulare di mammifero è spesso utilizzata nella produzione industriale di terapie proteiche ricombinanti. Le cellule ovariche di criceto cinese, o cellule CHO, sono uno dei tipi di cellule più comunemente utilizzate. A differenza delle cellule batteriche, le cellule dei mammiferi sono in grado di apportare complesse modifiche post-traduzionali alle proteine. Queste modifiche sono cambiamenti strutturali o chimici apportati alla proteina dopo che è stata tradotta nel ribosoma. Questo è essenziale per produrre strutture complesse necessarie per le proteine terapeutiche. La coltura cellulare di mammifero richiede attente considerazioni durante la crescita, poiché le cellule sono più sensibili delle cellule batteriche. È necessaria un'aerazione efficace. Tuttavia, i danni da taglio devono essere ridotti al minimo. È inoltre necessario un ambiente omogeneo ben controllato, con un rigoroso controllo del pH e della temperatura e una rapida rimozione dei prodotti tossici. I processi industriali vengono scalati per produrre un volume elevato di prodotto. Lo scale-up non è così facile come aumentare proporzionalmente il volume e quindi le dimensioni dell'apparecchiatura. Viene utilizzato un fattore di scala, che è il rapporto tra il flusso di massa dell'unità a fondo scala e l'unità pilota. I fattori di scala vengono utilizzati per determinare le dimensioni di reattori serbatoio geometricamente simili. Ad esempio, come scala di volume, con il fattore di scala S, il diametro del serbatoio scala con S a 1/3. Ciò è dovuto alle limitazioni di massa e trasferimento di calore con il volume del serbatoio più grande.
La produzione di prodotti biologici utilizza organismi viventi che sono suscettibili alla contaminazione. Gli organismi contaminanti possono essere batteri, funghi o virus e possono derivare dal personale, dai materiali o dalle attrezzature utilizzate nella produzione. La contaminazione microbica introduce variabilità del prodotto e può causare la degradazione della proteina del prodotto. Molti bioprocessi vengono utilizzati per produrre prodotti farmaceutici, che sono fortemente regolamentati dalle agenzie governative per garantirne la sicurezza e l'efficacia. Il farmaco stesso passa prima attraverso rigorosi test di laboratorio e studi clinici. Una volta che il farmaco è stato approvato, anche il processo di produzione deve essere sottoposto a esame e approvazione. La regolamentazione, sebbene essenziale per garantire un prodotto finale sicuro, comporta ulteriori vincoli sul processo di ingegnerizzazione. Vengono poste rigide limitazioni ai parametri, come i reagenti consentiti, i contaminanti e le concentrazioni.
Ora che hai visto alcune delle tecniche e delle sfide comuni nel bioprocesso, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni del mondo reale. A differenza dei farmaci a piccole molecole come l'aspirina e il paracetamolo, molti farmaci complessi sono proteine ricombinanti e vengono prodotti tramite bioprocesso. Le terapie proteiche ricombinanti sono aumentate rapidamente negli ultimi 25 anni, con decine di terapie mirate. AIDS, cancro, malattie infettive, guarigione delle ferite, disturbi nutrizionali, ictus e shock settico sono solo alcune delle aree in cui le terapie proteiche vengono offerte come terapia. Il bioprocesso viene utilizzato anche per produrre biocarburanti, come l'etanolo. L'etanolo è prodotto da materiale cellulosico, come la canna da zucchero o il mais. Il processo inizia con l'isolamento della cellulosa dalle materie prime, seguita dall'idrolisi enzimatica e dalla fermentazione con lievito. Questo bioprocesso viene eseguito su scala di produzione al fine di produrre grandi quantità di etanolo per l'energia alternativa.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE al bioprocesso. Ora dovresti comprendere il bioprocesso di base, alcuni metodi e sfide comuni, nonché le applicazioni della tecnologia. Grazie per l'attenzione.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the main stages of a bioprocess?
A bioprocess consists of three main stages: organism selection and genetic modification to maximize product production, upstream processing where modified cells are grown at large scale in bioreactors, and downstream processing where the product is purified and concentrated using filtration and chromatography. The purified product is then lyophilized for storage stability.
Q2: Why are mammalian cells preferred for producing therapeutic proteins?
Mammalian cells, particularly Chinese hamster ovary cells, perform complex post-translational modifications—structural and chemical changes made to proteins after translation. These modifications are essential for creating the complex protein structures required for therapeutic effectiveness. Unlike bacterial cells, mammalian cells can produce proteins with the necessary biological activity for drug applications.
Q3: What challenges arise when scaling up bioprocesses from pilot to manufacturing scale?
Scaling up bioprocesses is complex because simply increasing volume proportionally doesn't work. Scaling factors account for mass and heat transfer limitations in larger tanks. For example, when volume scales by factor S, tank diameter scales by S to the 1/3 power. Additionally, mammalian cells require careful control of aeration, shear stress, pH, temperature, and toxic product removal to maintain viability and productivity.
Q4: How does microbial contamination affect bioprocess manufacturing?
Microbial contamination from bacteria, fungi, or viruses introduces product variability and causes protein degradation. Contaminants can originate from personnel, materials, or equipment. Since drug manufacturing is heavily regulated, strict limitations are placed on permissible reagents, contaminants, and concentrations. Contamination control is critical for ensuring safe, effective final products that meet regulatory approval standards.
Q5: What methods are used to harvest and purify product proteins in bioprocessing?
Product proteins are harvested through secretion, where cells release the protein, or lysis, where cells are broken to release it. Downstream purification uses multiple technologies in series: filtration removes cell debris and large particles, chromatography isolates and concentrates the protein of interest, and lyophilization freeze-dries the final product for storage and stability.
Q6: What are the main applications of bioprocessing technology?
Bioprocessing produces recombinant protein therapeutics for complex diseases including AIDS, cancer, infectious diseases, wound healing, and stroke. Unlike small molecule drugs, many modern therapeutics are proteins made via bioprocessing. Additionally, bioprocessing manufactures biofuels like ethanol from cellulosic materials through enzymatic hydrolysis and fermentation with yeast at manufacturing scale.
Q7: How does the bioprocess design process progress from laboratory to manufacturing?
Bioprocesses are first designed and tested at laboratory scale to establish feasibility and optimize conditions. The successful process is then scaled up to pilot scale for validation and refinement. Once pilot-scale performance meets requirements, the process undergoes further scaling for full manufacturing production, with each stage informing design parameters for the next level.