La terapia celular y génica (CGT) representa un cambio de paradigma en la medicina, al ofrecer curas potenciales para enfermedades que los enfoques tradicionales luchan por abordar, particularmente las enfermedades monogénicas. A diferencia de los tratamientos convencionales, la CGT tiene como objetivo restaurar o modificar células y genes, ofreciendo posibilidades curativas. Estas terapias, a menudo descritas como “drogas vivas”, tienen la capacidad de curar y reemplazar órganos enfermos. Aunque todavía se encuentran en sus primeras etapas, la investigación y el desarrollo de la CGT están avanzando rápidamente hacia la prevención, el tratamiento y la curación de enfermedades tanto génicas como adquiridas. Fundamental para CGT es el cultivo de células y tejidos, que constituye la piedra angular de estas innovadoras aplicaciones biomédicas.
Eppendorf publicó recientemente un libro electrónico, ” Optimización de los Flujos de Trabajo de Terapia Celular y Génica “, que describe en detalle el importante trabajo que se está realizando para llevar terapias celulares y génicas a los pacientes que las necesitan. Cada artículo examina aspectos del flujo de trabajo de la terapia celular y génica para resaltar los métodos óptimos de desarrollo de procesos.
Terapia Celular (TC) y Medicina Regenerativa – Células Madre
El primer artículo describe cómo la terapia celular (TC) y la medicina regenerativa utilizan células humanas para reemplazar o reparar células y tejidos dañados en el tratamiento de diversas enfermedades. Estas células pueden obtenerse del paciente (autólogas) o de un donante sano (alogénicas) y se cultivan y modifican antes de la infusión. Las células madre humanas, en particular las células madre pluripotentes (hPSC), como las células madre embrionarias (hESC) y las células madre pluripotentes inducidas (hiPSC), son valiosas para la medicina regenerativa debido a su capacidad para diferenciarse en varios tipos de células. Las células madre hematopoyéticas (HSC) se han utilizado en terapias clínicas durante décadas, especialmente para el tratamiento de cánceres de sangre y afecciones hematológicas. La TC con células madre tiene diversas aplicaciones terapéuticas, incluidas enfermedades autoinmunes, lesiones esqueléticas y trastornos neurológicos. La producción a gran escala de células de linaje específico (que ascienden a miles de millones) es necesaria para la investigación y el desarrollo, y requiere de sistemas de cultivo avanzados que sean escalables. Este tipo de producción supera la capacidad de los métodos tradicionales como las bolsas o botellas de cultivo (T-flasks), que carecen de escalabilidad, control en tiempo real y, a menudo, adolecen de menores rendimientos y poca adaptabilidad. Por lo tanto, existe la necesidad de sistemas de cultivo que faciliten la producción de células a gran escala con mayor control y escalabilidad.
Bioprocesamiento de Células Madre: Biorreactores de Tanque Agitado
El siguiente artículo analiza los biorreactores de tanque agitado y su papel en el bioprocesamiento de células madre ofreciendo escalabilidad y versatilidad para satisfacer las diversas necesidades de producción de los investigadores. Los biorreactores de tanque agitado son ideales para células en suspensión y cultivos con microcargadores, mientras que los biorreactores de lecho compactado son particularmente adecuados para células adherentes.
Los biorreactores de plástico de un solo uso, como los biorreactores Eppendorf BioBLU® c, están ganando popularidad por su conveniencia, ya que eliminan la necesidad de procesos de limpieza y esterilización, lo que permite obtener resultados más rapidamente. Los biorreactores Eppendorf, tanto los de un solo uso como los reutilizables, son compatibles con los controladores de los diferentes modelos de biorreactores, lo que facilita una expansión celular eficiente más allá de las limitaciones de los sistemas de cultivo celular 2D convencionales.
Ampliamente utilizados en la industria, los biorreactores ofrecen ventajas como la monitorización y el control en línea de parámetros críticos como la oxigenación, el pH y la temperatura, esenciales para optimizar los procesos de cultivo celular en el desarrollo de la terapia celular (CT). Por ejemplo, el sistema de mini biorreactores DASbox® permite el cultivo celular en paralelo a pequeña escala.
La Unidad de Bioprocesos de Eppendorf, con su experiencia en bioprocesamiento para cultivo celular, ha contribuido significativamente al avance del cultivo de células madre en biorreactores de tanque agitado. Con monitoreo en tiempo real y diseños escalables, la plataforma Eppendorf permite la transferencia de resultados de bioprocesos a pequeña escala a volúmenes más grandes, acelerando los cronogramas de desarrollo y el tiempo de llegada a la comercialización. Además, su software de control de bioprocesos automatiza el control de parámetros y de las tareas rutinarias, liberando tiempo para investigaciones valiosas.
Expansión Escalable de Células Madre Humanas Pluripotentes
El tercer artículo proporciona los aspectos más destacados de una investigación puntual que demuestra cómo los sistemas de biorreactores avanzados desempeñan un papel crucial en la expansión de los cultivos celulares, en particular para el cultivo y la diferenciación de células madre humanas pluripotentes (hPSC) en biorreactores de tanque agitado.
En un proceso de expansión de 7 días, utilizando equipos que incluyen el sistema de mini biorreactores DASbox y los biorreactores de un solo uso BioBLU 0.3c, se logró un aumento de 4 veces en el recuento de células viables de hPSC mediante un proceso de alimentación por lotes. La citometría de flujo confirmó que la mayoría de la población celular conservaba marcadores de superficie celular asociados a la pluripotencia. Esta exitosa combinación de sistemas de biorreactor proporciona una excelente plataforma para la optimización de procesos y la adaptación a procesos de diferenciación de hPSC de linaje específico. Aprovechando este éxito, el Dr. Robert Zweigerdt y su equipo de la Facultad de Medicina de Hannover (Alemania) aumentaron aún más el rendimiento de las hiPSC en biorreactores, logrando un rendimiento total del cultivo de 35 millones de hiPSC por ml.
Este artículo derivó en una entrevista con el Dr. Zweigerdt, en donde explica cómo su equipo aumentó considerablemente el rendimiento de hiPSC en biorreactores.
En esta entrevista se explica cómo el equipo del Dr. Zweigerdt pudo mejorar el cultivo de células madre humanas pluripotentes inducidas (hiPSC) en biorreactores y alcanzando el hito de 35 millones de células por ml. El Dr. Zweigerdt explicó que el primer obstáculo que atacaron diez años atrás fue la transición del cultivo celular 2D tradicional, en monocapa, a cultivos en suspensión 3D. El segundo gran paso que lograron en colaboración con Eppendorf fue el diseño de un agitador (impeller) modificado para conseguir una agregación de hiPSC más homogénea y la implementación de un sistema de retención con filtros que permitiera retener las células hiPSC en el biorreactor agitado, para poder automatizar la alimentación por perfusión. Por último, pudieron identificar parámetros limitantes del crecimiento, como el pH, el consumo de glucosa y la acumulación de lactato, e implementar estrategias optimizadas de alimentación por perfusión.
A continuación, el Dr. Zweigerdt explicó la transición de los protocolos de diferenciación de cultivos en monocapa a los de agregados celulares en biorreactores. Afirma que “los desafíos más importantes con respecto a la diferenciación dirigida en cultivos en suspensión incluyen el impacto del tamaño de los agregados celulares, su heterogeneidad, la densidad celular general y la definición de parámetros mecánicos e hidrodinámicos”. También señaló que los componentes estándar de los medios de cultivo y las moléculas que conducen la diferenciación que están aplicando, por ejemplo los moduladores de la vía WNT utilizados para la inducción del mesodermo y diferenciación cardíaca, tienen efectos equivalentes en cultivos 2D y 3D.
Luego, habló sobre las estrategias de alimentación. La alimentación por perfusión se vio favorecida sobre la alimentación repetida en lotes debido a su capacidad para controlar eficientemente los parámetros limitantes del crecimiento.
A continuación, revisó los pasos de optimización del proceso que tomó su equipo para lograr un rendimiento tan alto. Estos pasos incluyeron el control de la agregación celular, el pH y el suministro de nutrientes, lo que condujo a un aumento de la densidad del cultivo de las hiPSC de más de diez veces.
Por último, el Dr. Zweigerdt concluyó que, a pesar de sus logros, es necesario conseguir un mayor escalado para satisfacer la demanda de las aplicaciones con terapia celular, particularmente para tratamientos relacionados con el corazón. Los esfuerzos futuros se centrarán en mejorar los protocolos de diferenciación y aumentar la producción para satisfacer las necesidades clínicas.
Expansión Escalable de Células Madre Mesenquimales Humanas Derivadas de la Médula Ósea
El siguiente artículo proporciona los aspectos más destacados de un estudio puntual que analiza la expansión escalable de células madre mesenquimales humanas derivadas de la médula ósea (hMSC). Para este fin se emplearon varios equipos, incluido el sistema de mini biorreactor DASbox y los biorreactores de un solo uso BioBLU 0.3c, junto con medios de cultivo y ensayos específicos. Los biorreactores de tanque agitado de pared rígida ofrecen un control preciso sobre parámetros críticos del proceso como el pH y el oxígeno disuelto, la temperatura, el gaseado y la agitación, facilitando así la distribución homogénea de nutrientes y gases junto con el estricto control del proceso que es necesario para el cultivo de células madre en suspensión.
El estudio demostró una expansión exitosa de hMSC utilizando el sistema de mini biorreactor Eppendorf DASbox equipado con biorreactores de un solo uso BioBLU 0.3c con microportadores Cytodex tipo 1 y tipo 3 como superficies de crecimiento. Los resultados demostraron que se logró una expansión de 17,5 veces, con una densidad celular máxima de 1×10 8 células/lote utilizando Cytodex tipo 1, mientras que se obtuvo una expansión de 11,5 veces con un máximo de 7×10 7 células/biorreactor con Cytodex tipo 3. Es importante destacar que las hMSC expandidas conservaron su multipotencialidad y capacidad de diferenciarse en osteocitos y condrocitos, lo que indica su idoneidad para aplicaciones terapéuticas en medicina regenerativa.
Optimización de Células T CD4 + para Expansión a Largo Plazo
Otro estudio puntual incluido en el libro electrónico analizó la optimización en la expansión a largo plazo de las células T CD4 + utilizando el sistema de mini biorreactor DASbox equipado con biorreactores de un solo uso BioBLU 0.3c. La terapia celular adoptiva (ACT), que se centra en el trasplante de células del sistema inmune, como las células T, para el tratamiento de infecciones virales crónicas y el cáncer, se basa en la calidad y escalabilidad de los protocolos de expansión de las células T. El estudio utilizó equipos como incubadoras, matraces y activadores celulares y medios de expansión específicos. Al controlar los niveles de oxígeno disuelto durante el cultivo, se descubrió que una tensión de oxígeno más baja con un 20 % de oxígeno disuelto afecta positivamente las tasas de proliferación de células T CD4 + por tendencia sin afectar la funcionalidad celular. La producción de interleukina 4 (IL-4), una citoquina importante, se utilizó como medida cuantitativa de la funcionalidad celular. Los resultados fueron reproducibles en células T de diferentes donantes, lo que confirma la eficacia del enfoque en la optimización del bioprocesamiento. Estos hallazgos subrayan las ventajas de los sistemas de cultivo basados en biorreactores de agitación sobre los cultivos estáticos en bolsas o matraces, destacando el potencial del sistema de mini biorreactores DASbox en combinación con los biorreactores de un solo uso BioBLU 0.3c para optimizar las condiciones de cultivo de células T a un nivel escalable.
Exosomas Producidos en Biorreactores: los Biorreactores Proporcionan el Entorno Ideal para la Expansión y Producción a Gran Escala de Exosomas
El último artículo del libro electrónico es una entrevista con el Dr. Jorge Escobar, investigador científico senior en el laboratorio de aplicaciones de Eppendorf. La entrevista destaca la importancia de garantizar la seguridad y eficacia de las terapias celulares, abordando preocupaciones como el rechazo inmunológico y la escalabilidad en la producción. Los exosomas, pequeñas vesículas extracelulares que contienen moléculas bioactivas, se estudian como posibles sustitutos de la terapia celular, ofreciendo ventajas en la comunicación intercelular y su administración terapéutica. Los biorreactores se identifican como herramientas críticas para la producción de exosomas a gran escala, ya que proporcionan un entorno controlado para la expansión celular y un rendimiento de exosomas óptimo. Se destaca el papel de Eppendorf a la hora de apoyar a los investigadores con soluciones los biorreactores y las notas de aplicación, con el compromiso de promover soluciones en el campo de la investigación de vesículas extracelulares y la terapia celular. El objetivo futuro de Eppendorf radica en abordar las necesidades cambiantes de la industria de la terapia celular y génica, con el objetivo de proporcionar soluciones innovadoras para superar los desafíos del desarrollo y, en última instancia, contribuir a tratamientos que salven vidas.
En conclusión, el libro electrónico enfatiza el papel fundamental de las terapias celulares y génicas para revolucionar los tratamientos médicos mediante la restauración o reacondicionamiento de células o genes. El cultivo y la producción a gran escala de células madre son fundamentales para el desarrollo de estas terapias, dada su capacidad para diferenciarse en varios tipos celulares. La variedad de sistemas de biorreactores de tanque agitado de Eppendorf, incluidos los biorreactores de un solo uso BioBLU y los sistemas de mini biorreactores DASbox, ofrecen soluciones eficientes para la expansión celular más allá de las limitaciones de los sistemas de cultivo de células 2D convencionales. Estos biorreactores, combinados con un software de control de bioprocesos, demuestran versatilidad en la expansión de varios tipos de células madre, como las células T CD4 +, las células madre humanas pluripotentes y las células madre mesenquimales. De cara al futuro, las plataformas de Eppendorf proporcionan una base fiable para acelerar el desarrollo de cultivos celulares y, en última instancia, optimizar la eficiencia de la investigación.
Fuente: Cell Culture Dish | Elevating Cell and Gene Therapy Workflows with Efficient Solutions for Cell Culture and Expansion