En el vertiginoso mundo de la biotecnología, es crucial conseguir una alta eficacia y productividad en los bioprocesos. El biorreactor de perfusión es una nueva técnica que es mejor que los métodos tradicionales por lotes y por lotes alimentados en muchos aspectos.
Al intercambiar continuamente el medio de cultivo, los sistemas de perfusión mantienen las células en sus condiciones óptimas de crecimiento. Esto no sólo aumenta la productividad celular, sino que también mejora la calidad general del producto final. Imagina poder producir más con mejor consistencia: ésa es la promesa de la tecnología de perfusión.
¿Tienes curiosidad por saber cómo funciona y por qué es tan eficaz?
En este artículo exploraremos los fundamentos de la perfusión, sus ventajas y los distintos tipos de sistemas de perfusión. Tanto si tienes experiencia como si eres nuevo en el bioprocesamiento, esta guía te dará consejos útiles para mejorar tus procesos.
¿Qué es la perfusión?
La perfusión en el cultivo celular es un método que mantiene las células dentro de un biorreactor mientras se intercambia continuamente el medio de cultivo.
Este proceso garantiza la reposición de nutrientes y fuentes de carbono con medio fresco, al tiempo que elimina los residuos celulares y el medio agotado.
El intercambio de medio se suele medir en volúmenes de vaso por día (VVD). Por ejemplo, perfundir 6 litros de medio al día en un sistema con un volumen de trabajo de 3 litros equivale a 2 VVD. Esta renovación continua del medio ayuda a mantener un crecimiento celular y una productividad óptimos.
Métodos de retención celular
En el cultivo en suspensión, existen dos métodos principales para retener las células durante la perfusión: la filtración y la sedimentación. Cada método tiene sus ventajas y retos únicos.
Filtración
Los métodos de filtración, como la filtración de flujo tangencial (TFF), hacen circular el medio del biorreactor a través de fibras huecas porosas.
Estas fibras están diseñadas para permitir el paso del medio mientras retienen las células más grandes dentro del reactor.
El medio gastado (permeado) fluye a través de la membrana y se elimina, mientras las células vuelven al recipiente del reactor.
Los métodos de filtración proporcionan un permeado totalmente clarificado que puede vincularse directamente al procesamiento posterior. Esto los hace ideales para procesos en los que es esencial mantener una alta densidad celular y pureza del producto.
Sedimentación
Las técnicas de sedimentación utilizan flujos suaves para ayudar a las células a hundirse y acumularse. Las células sedimentadas se devuelven al biorreactor, mientras se elimina el líquido restante.
Los métodos de sedimentación suelen ser más rentables y presentan un menor riesgo de ensuciamiento del sistema que los métodos de filtración. Sin embargo, son menos eficaces a la hora de retener las células, lo que a menudo provoca una cierta pérdida celular (denominada "sangrado") en el medio utilizado. A pesar de este inconveniente, los métodos de sedimentación pueden ser ventajosos para procesos con menores requisitos de densidad celular y en los que la reducción de costes es una prioridad.
Tipos de perfusión
Perfusión N-1
La perfusión N-1, también conocida como perfusión intensificada en tren de siembra, se centra en conseguir altas densidades celulares mientras las células están en su fase de crecimiento logarítmico.
Normalmente, este procedimiento dura entre 3 y 6 días y se emplea para disminuir la cantidad de recipientes necesarios en un tren de siembra. Esto ayuda a conseguir una mayor densidad de siembra en el reactor y a crear bancos de semillas de alta densidad.
Sus principales ventajas son su sencillez, la reducción de los requisitos de equipamiento y la mínima necesidad de optimización del medio. Este método es especialmente útil para generar rápidamente altas densidades celulares sin hacer hincapié en la productividad.
Consideraciones operativas
Desde el punto de vista operativo, la perfusión N-1 mantiene una elevada tasa de intercambio de medio para garantizar que las células permanezcan en su fase óptima de crecimiento. Su corta duración simplifica la logística y minimiza la necesidad de un amplio equipamiento.
Además, proporciona mayores densidades de siembra a los reactores de producción, lo que resulta ventajoso para los procesos posteriores. Sin embargo, como la productividad no es una preocupación primordial, es menos adecuado para las fases finales de producción.
Perfusión concentrada por lotes alimentados
La perfusión concentrada por lotes alimentados utiliza la filtración de flujo tangencial alternante (ATF) o la filtración de flujo tangencial (TFF) para retener tanto las células como los productos dentro del biorreactor.
Este método aumenta la cantidad de producto, por lo que es ideal para productos estables con baja productividad en procesos por lotes o alimentados.
El medio concentrado mejora la eficacia del procesamiento posterior al eliminar la necesidad de pasos adicionales de concentración. Normalmente, este proceso dura entre 14 y 20 días y alcanza títulos elevados adecuados para las aplicaciones posteriores.
Requisitos del proceso
La perfusión concentrada por lotes alimentados es moderadamente compleja, y requiere sistemas ATF o TFF con filtros que puedan retener el producto dentro del recipiente.
El tipo de cambio del medio debe controlarse cuidadosamente para conseguir los títulos de producto deseados. Este método funciona mejor para productos fuertes que pueden soportar condiciones intensas y tiene riesgos de calidad como los procesos de lotes alimentados. La gestión eficaz del intercambio de medios es fundamental para maximizar los títulos y mantener la estabilidad del proceso.
Perfusión intensificada por lotes alimentados
La perfusión alimentada intensificada es como la alimentada concentrada, pero con extracción continua de producto durante el proceso.
Este enfoque es ventajoso para los productos lábiles y los escenarios que requieren una alta concentración de la producción sin pasos adicionales de concentración aguas abajo. Los tiempos de retención del producto más cortos mejoran el control de calidad y permiten una purificación posterior semicontinua. La duración de las series suele ser de 16-25 días, con tipos de cambio medios optimizados para la rentabilidad.
Comparación con el lote concentrado alimentado
Comparado con el lote alimentado concentrado, el lote alimentado intensificado ofrece una mayor generación de producto total y un mejor control de calidad gracias a la eliminación continua de producto.
Más adecuado para productos menos estables, ya que el tiempo de residencia reducido disminuye el riesgo de degradación. Además, permite el uso de filtros TFF o ATF para producir una corriente de producto clarificado listo para su procesamiento posterior. Aunque ambos métodos son moderadamente complejos, el intensificado por lotes alimentados tiende a ser más eficaz y mejor para aplicaciones específicas.
Perfusión continua
La perfusión continua pretende mantener unas condiciones estables, garantizando una productividad y una calidad del producto constantes durante periodos prolongados, que suelen oscilar entre 20 y 60 días.
Este método utiliza una pequeña cantidad de sangrado para mantener las célulasvivas y a la densidad adecuada, lo que ayuda a mejorar la eficacia. Las tasas optimizadas de intercambio de medio garantizan una alta eficacia y un estricto control del proceso, lo que hace que la perfusión continua sea ideal para una producción estable a largo plazo.
Estabilidad y eficacia a largo plazo
La principal ventaja de la perfusión continua es su capacidad para mantener altos títulos y calidad del producto con una variabilidad mínima. Este método es especialmente beneficioso para integrarlo con el bioprocesamiento continuo posterior.
A pesar del mayor tiempo necesario para la optimización del proceso y del mayor riesgo asociado a las operaciones prolongadas, las ventajas de un control de calidad superior, la menor necesidad de trenes de siembra y la escalabilidad hacen de la perfusión continua una opción valiosa. Además, las operaciones en estado estacionario fáciles de automatizar ayudan a mitigar la complejidad, lo que la convierte en una opción viable para la producción a gran escala.
Comparación de las técnicas de perfusión: Principales diferencias y consideraciones
Cuando se trata de optimizar los bioprocesos, seleccionar el tipo adecuado de perfusión es crucial.
Cada técnica de perfusión -perfusión N-1, perfusión concentrada por lotes alimentados, perfusión intensificada por lotes alimentados y perfusión continua- ofrece ventajas y consideraciones operativas únicas. Comprender estas diferencias puede ayudar a los ingenieros de bioprocesos y a los gestores de proyectos a tomar decisiones informadas que mejoren la productividad, la calidad del producto y la eficacia.
La tabla siguiente ofrece una comparación exhaustiva de los cuatro tipos de perfusión, destacando sus objetivos principales, duraciones típicas, tasas de intercambio de medio, complejidad, métodos de retención celular, estrategias de eliminación de productos, idoneidad para productos lábiles, control de calidad, consideraciones operativas, escalabilidad, riesgo de ensuciamiento del sistema y rentabilidad. Esta visión general pretende guiarte en la selección del método de perfusión más adecuado para tus necesidades específicas de bioproceso.
El impacto del biorreactor de perfusión en la eficacia del bioproceso
El biorreactor de perfusión ha revolucionado el campo del bioprocesamiento al ofrecer una eficacia, productividad y calidad del producto sin parangón. Este método continuo de cultivo de células garantiza un suministro constante de nutrientes frescos al tiempo que elimina los residuos, creando un entorno óptimo para el crecimiento celular y la producción de proteínas.
Ya se trate del rápido aumento de la densidad celular en la perfusión N-1, de los altos títulos de producto conseguidos con el lote alimentado concentrado, del control mejorado en el lote alimentado intensificado o de la estabilidad a largo plazo de la perfusión continua, cada técnica proporciona ventajas únicas que se adaptan a las distintas etapas y necesidades del bioprocesado.
Al adoptar el biorreactor de perfusión, los ingenieros de bioprocesos pueden conseguir mayores rendimientos, mejor consistencia y un uso más eficiente de los recursos. A medida que evolucione el panorama biotecnológico, dominar estas técnicas de perfusión será esencial para mantenerse a la vanguardia e impulsar las innovaciones en la producción biofarmacéutica.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Bioreactor perfusion is a continuous cell culture method that maintains optimal growth conditions by constantly supplying fresh nutrients and removing waste. This process enhances cell productivity and product quality by keeping the cells in an ideal environment.
Perfusion offers several benefits, including higher cell densities, increased product yields, improved product quality, and more efficient use of resources. It also allows for better control over the production process and can be scaled more easily to meet production demands.
Each perfusion type has unique features: N-1 perfusion focuses on rapidly increasing cell density, concentrated fed-batch perfusion aims for high product titers, intensified fed-batch perfusion enhances product generation and quality control, and continuous perfusion maintains long-term steady-state production with high consistency.
Factors to consider include the specific production goals, the stability of the product, the required cell density, the duration of the production run, and the complexity of the operation. Each perfusion method has different strengths that can be matched to the needs of the process.
Yes, bioreactor perfusion can be seamlessly integrated with downstream processes. Filtration methods used in perfusion provide clarified permeate that can be directly linked to downstream operations, improving overall process efficiency and product quality.
Para conocer mejor las configuraciones de los biorreactores y sus efectos en la fabricación deproteínas recombinantes, consulta la revisión crítica realizada por Jean-Marc Bielser, Moritz Wolf, Jonathan Souquet, Hervé Broly y Massimo Morbidelli,"Perfusion mammalian cell culture for recombinant protein manufacturing - A critical review", publicada en Biotechnology Advances, 2018.
