Cómo escalar horizontal y verticalmente la producción de terapias celulares

Por el Dr. Hue-Tran Hornig-Do.

El campo de las terapias celulares está avanzando rápidamente y la producción se enfrenta a grandes desafíos para satisfacer la demanda. La producción eficaz es un aspecto crucial a la hora de decidir si se comercializa una terapia celular; sin embargo, ampliar el número de medicamentos basados en células vivas a una población de pacientes de mayor tamaño siempre implica desafíos. Dado que las células son un producto terapéutico, deben conservar su fenotipo y funcionalidad en cada etapa del proceso, independientemente del método de producción.

Escalamiento vertical o escalamiento horizontal

Existen dos estrategias de uso masivo para generar grandes cantidades de células: el escalamiento vertical o el escalamiento horizontal. Los sistemas de escalamiento vertical se basan en el uso de recipientes más grandes para aumentar la capacidad de producción, mientras que los sistemas de escalamiento horizontal aumentan la capacidad mediante el uso de varios recipientes para cultivo que funcionan en paralelo.^1,2 Ambas estrategias tienen sus ventajas y desventajas y no son necesariamente excluyentes entre sí. Los flujos de trabajo exhaustivos suelen incluir ambas. El escalamiento horizontal puede ser simple porque la unidad de producción sigue siendo la misma; sin embargo, es posible que la reproducibilidad sea difícil de alcanzar. Por otra parte, el escalamiento vertical puede ser más complejo y requiere más planificación, pero puede disminuir los costes del producto a largo plazo. La estrategia que debe usar depende de cuánto material se necesite para fabricar el producto terapéutico. Realicemos un análisis exhaustivo al respecto utilizando terapias celulares autógenas y alogénicas a modo de ejemplo.

Las terapias celulares autógenas son ejemplos de medicina personalizada en las que utilizan las propias células de un paciente como punto de partida y se producen como un lote individual por paciente.³ Aquí, puede aplicarse el concepto de escalamiento horizontal en el que se establecen y ejecutan al mismo tiempo varias líneas de producción en paralelo para productos de pacientes individuales en la misma planta de producción. Dicho enfoque de producción de escalamiento horizontal también puede transferirse a otras instalaciones de fabricación para aumentar la producción. Por ejemplo, las compañías de biotecnología de linfocitos T con receptores de antígeno quimérico (CAR) están adoptando este modelo en la actualidad a través de la instalación de plantas de producción regionales en los Estados Unidos y en Europa, además de la expansión a otras regiones. Por otro lado, las terapias alogénicas se producen en grandes cantidades a partir de tejido de donantes no relacionados y se consideran un producto «estándar» que se utiliza para tratar a muchos pacientes⁴. Estas terapias requieren un enfoque de escalamiento vertical mediante el aumento del volumen del recipiente de elaboración.

Plataforma adherente o de suspensión

¿Cuál es el mejor método de escalamiento vertical para mi enfoque? El hecho de elegir una plataforma de suspensión o adherente depende básicamente del tipo de célula. Las plataformas de cultivo celular intentan, en gran medida, imitar el medio nativo para el tipo de célula que se está multiplicando. Por ejemplo, las células de tejido sólido, como el músculo, son más adecuadas para el cultivo adherente, mientras que las células de tejido líquido, como la sangre, son más adecuadas para el cultivo de suspensión. Los linfocitos T con CAR no son adherentes y pueden cultivarse en sistemas de suspensión; mientras que las células madre mayormente existen en nichos que dependen del contacto, donde están en contacto directo con otras células, y tienen matrices extracelulares que pueden expandirse correctamente utilizando plataformas adherentes.

Una de las principales ventajas de las plataformas adherentes es la posibilidad de usar varias modificaciones superficiales que imitan el microentorno local. Otra ventaja es el beneficio de la visualización directa en ciertos sistemas adherentes: la multiplicación celular en matraces o recipientes apilados puede supervisarse fácilmente bajo el microscopio. Los cultivos adherentes también conceden el beneficio del tiempo, un punto a favor importante para las empresas incipientes que desean llegar al mercado rápidamente. Estas y otras ventajas hacen de los sistemas de cultivo celular adherente una buena opción para muchos programas de genoterapia y terapia celular, que suelen incluir tipos de células con anclaje.

Sin embargo, desde hace tiempo el escalamiento vertical en una plataforma de suspensión se considera el método de preferencia. Un motivo para ello es que los cultivos de suspensión pueden proliferar en biorreactores convencionales de tanque agitado a gran escala, lo que reduce los pasos de procesamiento y disminuye la superficie que ocupa en las instalaciones. Sin embargo, el escalamiento de células en cultivo de suspensión a recipientes más grandes también presenta algunos obstáculos y requiere una agitación cuidadosa para garantizar el intercambio adecuado de gases y nutrientes, al tiempo que reduce al mínimo el daño celular a causa de la tensión de cizallamiento.⁵ Es fundamental realizar una minuciosa evaluación de la dinámica de flujo de cultivo basada en las especificaciones del equipo (p. ej., número de propulsores, velocidades de agitación y estrategia de mezclado) para determinar posibles efectos en las células. A pesar de estos obstáculos, los cultivos de suspensión ofrecen escalabilidad y pueden producir los grandes volúmenes de células que se necesitan para las aplicaciones. Esta escalabilidad y control hacen de las plataformas de suspensión una opción atractiva para los fabricantes que buscan aumentar la eficiencia operativa.

Figura 1: Sistemas para ampliar los cultivos de células adherentes y en suspensión

¿Es posible persuadir a las células adherentes para que cambien de modalidad y acepten las condiciones del cultivo de suspensión? Sí, es posible y un ejemplo clásico es la producción de anticuerpos monoclonales utilizando células ováricas de hámsteres chinas (CHO). Los investigadores han adaptado estos cultivos para proliferar en un entorno de suspensión, y hoy se producen principalmente de esa manera. Sin embargo, a menudo se necesita una amplia adaptación y en ocasiones la modificación genética de estirpes celulares adherentes para adaptarlas a las condiciones del cultivo de suspensión. Esto lleva tiempo y requiere más trabajo.

La pregunta es si este esfuerzo enorme vale la pena conforme a sus necesidades. No todos los enfoques necesitan ese tipo de escalamiento. Las terapias autógenas y las genoterapias dirigidas a enfermedades infrecuentes o poblaciones de pacientes pequeñas pueden producirse adecuadamente en una escala más pequeña. Además, se han hecho grandes avances en el desarrollo de plataformas de cultivo celular adherentes que conducen a tecnologías más nuevas, como microportadoras y biorreactores de lecho fijo que permiten alcanzar economías de escala similares tanto con cultivos adherentes como con los métodos de suspensión. Echemos un vistazo a los diferentes sistemas de cultivo celular.

Sistemas de cultivo desde pequeños hasta de escala industrial

Las células se cultivan en cultivos de pequeña escala, como un solo matraz T que puede escalarse horizontalmente a varios matraces. En la etapa de pequeña escala, la transición a recipientes más grandes puede implementarse en el proceso de escalamiento vertical. Los dispositivos más utilizados para escalar verticalmente un cultivo adherente son los matraces multicapa, los recipientes apilados y las botellas de cultivo rotatorias; mientras que los matraces de agitación son una buena alternativa para el escalamiento vertical de las células de suspensión a pequeña escala.

Cuando es necesario, el proceso pasa a escala industrial. Los biorreactores de movimiento oscilante, los biorreactores de tanque agitado, los biorreactores de lecho compacto (también llamados de lecho fijo) y los biorreactores de fibra hueca pertenecen a los cuatro dispositivos más utilizados para escalar verticalmente las células en una escala industrial. Los biorreactores de tanque agitado y movimiento oscilante se usan ampliamente para la expansión de células de suspensión como los linfocitos T6, mientras que los biorreactores de apoyo estructural como los biorreactores de lecho fijo y los biorreactores de fibra hueca se han empleado para expandir células adherentes como las células madre mesenquimatosas y las células estrelladas hepáticas obtenidas del cordón umbilical humano^7,8.

¿Es posible multiplicar células adherentes en un sistema de suspensión? Las microportadoras son pequeñas esferas disponibles en varios tamaños, materiales y recubrimientos que permiten la multiplicación de células adherentes en un sistema de suspensión. Pueden añadirse a los matraces de agitación, principalmente para realizar pruebas preliminares antes de pasar a biorreactores de tanque agitado más grandes para generar un sistema adherente/de suspensión híbrido.⁹

En pocas palabras, no hay una plataforma «de tamaño universal», las diferentes tecnologías definitivamente ofrecen diversos beneficios que tienen distintas ponderaciones para usted, en función de sus recursos, su escala, su visualización y sus necesidades de automatización. En última instancia, se trata de descubrir cuáles son sus necesidades y qué puede esperar de la plataforma.

Nuestra misión en el canal de Fisher Scientific es ayudarle a descubrir qué solución puede ayudarle a alcanzar sus metas. Nuestro objetivo es ayudar a los investigadores y fabricantes a lograr avances en las terapias celulares innovadoras al ofrecer productos y herramientas de confianza, incluida una amplia variedad de sistemas de cultivo innovadores de los principales fabricantes.

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Referencias

1. Roh K-H, Nerem RM, Roy K. Biomanufacturing of therapeutic cells: state of the art, current challenges, and future perspectives. Ann Rev Chem Biomol Eng. (2016) 7:455–78.

2. Macdonald GJ. Scale-out plus single-use can multiply yields: single-use technology reduces some biomanufacturing equations to scale-out> scale-up. Genetic Eng Biotechnol News. (2019) 39:46–8.

3. Fesnak AD. The challenge of variability in chimeric antigen receptor T cell manufacturing. Regen Eng Transl Med. (2020) 6:322–9.

4. Caldwell KJ, Gottschalk S, Talleur AC. Allogeneic CAR Cell Therapy—More Than a Pipe Dream. Front. Immunol. (2021) 11:618427.

5. Eaker S, Abraham E, Allickson J, Brieva TA, Baksh D, Heathman TRJ et al. Bioreactors for cell therapies: current status and future advances. Cytotherapy (2017) 19:9–18.

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9. Bodiou V, Moutsatsou P, Post MJ. Microcarriers for upscaling cultured meat production. Front Nutr. (2020) 7:10.