Эффективный биореактор для культивирования клеток млекопитающих при производстве антивирусных вакцин

Культивирование в биореакторе клеточных культур, растущих в монослое и используемых для накопления вирусов, в отличии от традиционного метода их выращивания на куриных эмбрионах, открывает значительные возможности для промышленного производства вакцин и борьбы с вирусными болезнями. При создании оптимальной биотехнологии наряду с технологическими вопросами, в т.ч.: подбором сложной ростовой среды, выбором оптимальной адгезионной поверхности для прикрепления клеток, способа отделения выращенных клеток от подложки и др., важнейшим является разработка эффективного биореактора [1].

Особенности роста клеток животных и человека требуют определенного подхода к расчету процесса роста культуры и его аппаратурного оформления. Только ряд клеточных линий могут существовать в суспензионной культуре без изменения своих признаков, находясь в питательной среде во взвешенном состоянии, когда процессы диффузии питательных веществ не являются определяющими и лимитирующими кинетику развития клеток.

В то же время, для большинства типов клеток животных и человека нормальным состоянием является иммобилизация их в составе тканей организма. При этом, клетки, переведенные в культуру, стремятся сохранить свое «привычное» иммобилизованное состояние, что выражается в тесном спонтанном взаимодействии с подложкой (поверхности в биореакторе, микроносители, волокна и др.), на которой они растут с образованием пленочных монослоев для последующего синтеза нуклеиновых кислот и белков и развития клеток.

Необходимыми технологическими требованиям к биореактору являются: обеспечение стерильности длительного процесса, отсутствие механического или гидродинамического воздействия на клетки, создание оптимальных условий для роста клеток за счет контроля параметров процесса (рН, р02, Т, и др.), достижение нелимитируемого транспорта питательных компонентов. Клетки млекопитающих растут на твердой поверхности преимущественно в виде монослоя. Длительность процесса выращивания может составлять, например, 5÷15 суток в зависимости от вида клеток. Клетки чувствительны к механическим и гидродинамическим воздействиям и при культивировании клеток на микроносителях в аппаратах с мешалками к концу процесса культивирования погибает до 25% клеток. Существенное значение при выращивании клеток млекопитающих имеет подбор дорогостоящей питательной среды, состоящей из большого числа компонентов, в связи с чем минимизация её расхода имеет важное значение для экономики процесса.

Проведенный анализ известных типов аппаратов, применяемых для культивирования клеток млекопитающих, в т.ч.: аппараты роллерного типа, пленочные, мембранные, с полыми волоконными элементами, с микроносителями, позволил предложить новую эффективную конструкцию биореактора, имеющего определенные преимущества перед известными, согласно следующим критериям оптимальности инвариантными к объему используемого биореактора и удобными для их сравнения:

• максимум отношения рабочей поверхности для формирования клеточного монослоя к объёму аппарата;
• минимум отношения расхода необходимой для роста клеток дорогостоящей ростовой среды к массе выращенных клеток.

Кроме того, условия в биореакторе должны исключать стрессовые воздействия на клетки, за счет гидродинамических и механических эффектов, вызывающих гибель клеток и снижение продуктивности. Конструкция биореактора должна обеспечивать удобство эксплуатации.

Исходя из указанных технологических требований и сформулированных критериев оптимальности, а также с учетом рассмотренной математической модели и метода расчета, нами разработана новая конструкции биореактора, обеспечивающего необходимый транспорт питательных элементов, кислорода и за счет развитой поверхности контакта накопление большой массы культуры клеток. При этом, в биореакторе исключается стрессовое воздействие на клетки, обеспечивается удобство эксплуатации, а также возможность масштабирования биореактора.

Новый биореактор по своим показателям: производительности клеточной массы, экономии расхода дорогостоящей питательной среды превосходит в 3-4 раза известные биореакторы клеток. Проведенный патентный анализ подтверждает оригинальность, полезность и новизну данной разработки.