$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Krajobraz współczesnej medycyny szybko się zmienił dzięki niedawnym osiągnięciom w terapiach genowych i komórkowych (GCT). Jako jedna z najszybciej rozwijających się dziedzin badań translacyjnych, sektor GCT stoi również przed wyjątkowymi i bezprecedensowymi wyzwaniami. Oprócz solidnych wyników klinicznych, wydajne i opłacalne procesy produkcyjne są niezbędne dla komercyjnego sukcesu GCT, który jest szczególnie trudny do osiągnięcia w produkcji na małą skalę1. Koszt czasu, pracy i zapewnienia jakości jest zwiększony, gdy każda partia komórek produkuje tylko kilka dawek dla jednego pacjenta, a nie setki lub tysiące. W przeciwieństwie do allogenicznych terapii komórkowych, w których procesy produkcyjne są bardziej zbliżone do produkcji przeciwciał i rekombinowanych białek, autologiczne terapie komórkowe są zwykle wytwarzane jako operacje na małą skalę1. Jako stosunkowo nowe zjawisko w produkcji biofarmaceutycznej2, opcje przetwarzania komórek na małą skalę są obecnie dość ograniczone.
Wymiana jest niezbędna do produkcji komórek. Jest to jeden z dalszych procesów, w którym komórki są usuwane z pożywki hodowlanej i zagęszczane w celu kriokonserwacji lub infuzji. Obecnie w produkcji ogniw na małą skalę często stosuje się procesy podobne do tych w badaniach akademickich i opiera się na specjalistycznych pomieszczeniach czystych w celu utrzymania sterylności3. W procesach ręcznych często wykorzystuje się wirówki stołowe do granulowania i ponownego zawieszania komórek w celu zmniejszenia objętości i wymiany. Te otwarte procesy są kosztowne (tj. robocizna i utrzymanie pomieszczeń czystych) i mają ograniczoną zdolność produkcyjną, która nie jest idealna dla produkcji komercyjnej2,3.
Implementacja automatyzacji została zaproponowana jako rozwiązanie poprawiające wydajność produkcji i osiągające produkcję na skalę komercyjną2. Sterylności nie można osiągnąć w produktach komórkowych za pomocą tradycyjnych metod stosowanych w produktach biologicznych, takich jak napromienianie promieniowaniem gamma lub filtracja końcowa. Zamiast tego wdrażany jest zautomatyzowany system zamknięty, aby zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia i operatorów polegających na pomieszczeniach czystych w celu utrzymania sterylności4. Automatyzacja procesów rozwiązuje również kwestię skalowalności poprzez równoległe działanie wielu systemów (scale-out) lub zwiększenie mocy obliczeniowej pojedynczego urządzenia (scale-up), co z kolei minimalizuje zmienność między operatorami. Co więcej, analiza modelowania kosztów terapii autologicznych sugeruje, że automatyzacja może obniżyć koszty produkcji5,6. Jednak w badaniu klinicznym z wykorzystaniem autologicznych komórek macierzystych, w którym wykorzystano zautomatyzowaną platformę produkcyjną, nie stwierdzono żadnych korzyści kosztowych7, co sugeruje, że korzyści kosztowe wynikające z automatyzacji mogą zależeć od indywidualnego procesu produkcyjnego.
Istnieją różne strategie, w których automatyzacja może być wprowadzona do istniejącego procesu produkcyjnego. Można to osiągnąć poprzez wdrożenie w pełni zintegrowanej platformy lub modułowego łańcucha przetwarzania. Na rynku dostępnych jest kilka w pełni zintegrowanych platform do produkcji ogniw autologicznych, takich jak CliniMACS Prodigy (Miltenyi Biotec), Cocoon (Octane Biotech) i Quantum (Terumo BCT). Te zintegrowane platformy, które są często opisywane jako "GMP-in-a-box", mają niskie wymagania dotyczące infrastruktury i są łatwe w obsłudze. Zdolność produkcyjna w pełni zintegrowanej instalacji może być jednak ograniczona przez inkubator podłączony do systemu. Na przykład zdolność hodowli Prodigy jest ograniczona do 400 ml komory8, a kartridż Quantum ma ograniczoną powierzchnię ustawioną na 2,1 m2 (odpowiednik 120 kolb T175)7, co może być niewystarczające dla pacjentów wymagających większych dawek komórek9,10. Dodatkowo, Prodigy i Quantum mają wspólny atrybut, który ogranicza ich użycie: jednostka operacyjna jest zajmowana przez pojedynczą partię komórek przez cały okres ekspansji komórki, ograniczając w ten sposób liczbę partii, które mogą być wyprodukowane przez każdą jednostkę11. Modułowe podejście do automatyzacji polega na stworzeniu łańcucha produkcyjnego z wieloma modułowymi jednostkami, który symuluje komercyjny proces produkcyjny12,13. To podejście, które oddziela urządzenie do hodowli od urządzenia do mycia komórek, może w ten sposób zmaksymalizować wydajność produkcji. Idealnym urządzeniem przetwarzającym byłoby takie, które można dostosować i skalować do potrzeb produkcyjnych12.
Technologia wirowania przeciwprądowego (CFC), której początki sięgają lat siedemdziesiątych, ma długą historię w przetwarzaniu komórek14. Osiąga koncentrację i separację komórek poprzez zrównoważenie siły odśrodkowej z siłą przeciwprądową. Zazwyczaj zawiesina komórek wchodzi z wąskiego końca komory komórkowej przy stałym natężeniu przepływu, gdy jest poddawana działaniu siły odśrodkowej (Rysunek 1A). Przepływ płynu jest wywierany w kierunku przeciwnym do siły odśrodkowej. Nazywa się to siłą przeciwprądową, która tworzy gradient w komorze komórki. Siła przeciwprądowa zmniejsza się następnie w miarę rozszerzania się komory ogniwa od końcówki komory ogniwa w kształcie stożka. Komórki o większej gęstości i większej średnicy mają większą szybkość sedymentacji, a tym samym osiągają równowagę sił w kierunku końca komory komórkowej w kształcie stożka. Mniejsze cząstki mogą osiągnąć równowagę w kierunku podstawy komory lub być zbyt małe, aby zatrzymać je w komorze i zostaną zmyte. Technologia CFC jest znana głównie ze swojego zastosowania w przetwarzaniu produktów aferezy krwi, takich jak izolowanie monocytów do terapii komórkami dendrytycznymi15,16. Jeśli chodzi o wymianę, technologia CFC została zastosowana tylko w produkcji na dużą skalę17 i nie została jeszcze wykorzystana do produkcji na mniejszą skalę autologicznych terapii komórkowych.
Aby zaspokoić zapotrzebowanie na odpowiednie urządzenie do produkcji ogniw na małą skalę, niedawno opracowano zautomatyzowane urządzenie CFC (Zobacz Tabelę Materiałów)18. Zautomatyzowane urządzenie do przetwarzania komórek wykorzystuje technologię wirowania przeciwprądowego do usuwania resztek komórek i ułatwiania wymiany. Urządzenie wykonuje wymianę buforu za pomocą jednorazowego zestawu, który można sterylnie podłączyć do worka do przenoszenia komórek, co pozwala na przetwarzanie komórek w sterylnym, zamkniętym systemie. W tym miejscu badamy zastosowanie przeciwprądowego urządzenia odśrodkowego do przeprowadzania wymiany w hodowlach komórek ssaków w zautomatyzowanych protokołach. W tym badaniu przetestowaliśmy protokół wymiany przy użyciu komórek Jurkat i mezenchymalnych komórek zrębowych (MSC) do modelowania odpowiednio nieprzyległych i adherentnych typów komórek. Komórki Jurkata to unieśmiertelnione limfocyty T, często używane do badania ostrej białaczki z komórek T19,20. MSCs to dorosłe komórki macierzyste, które zostały przebadane w badaniach klinicznych na ludziach pod kątem szerokiego zakresu chorób9.