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Erhöhen Sie die Reproduzierbarkeit Ihres Zellkultur-Bioprozesses

ULRIKE RASCHE Lab Academy

Reproduzierbares Wachstum der Zellen und zuverlässige Bildung des gewünschten Produktes – die Idealvorstellung aller Bioprozessingenieure! Denn je schlechter die Reproduzierbarkeit, desto höher das Risiko, Batches verwerfen und Bioprozessläufe wiederholen zu müssen; und das kostet Zeit, Ressourcen und Nerven. Wir haben bei unseren Bioprozessspezialisten aus dem Eppendorf Applikationslabor nachgehört, welche Faktoren zu uneinheitlichen Ergebnissen beitragen können und von ihnen wertvolle Tipps erhalten, mit denen sich die Chargenvariabilität von Zellkultur-Bioprozessen verringern lässt.

Dieser Artikel erschien erstmalig in BioNews, Eppendorfs Kundenfachzeitschrift seit 1993.

Tipp 1: Unter gleichen Bedingungen starten
Ein Bioprozess beginnt nicht erst im Bioreaktor. Die Zellen, mit denen inokuliert wird, haben eine Geschichte: Üblicherweise wurden sie aufgetaut, im Schüttelkolben schrittweise vermehrt und dann in den Reaktor überführt. Für reproduzierbare Ergebnisse ist es entscheidend, die Zellen während dieses gesamten Workflows in einem optimalen Zustand zu halten, um so eine gleichbleibende Qualität des Inokulums zu erreichen. Dabei hilft es, in der Anfangsphase der Prozessentwicklung ein standardisiertes Protokoll zur Handhabung der Zellen zu entwickeln. Einige relevante Faktoren sind in Abbildung 1 zusammengefasst. Die Etablierung gleicher Kulturbedingungen mit engen Parametern kann die Reproduzierbarkeit zwischen den einzelnen Durchläufen erheblich erhöhen.
Abb. 1: Tipps für ein hochqualitatives Inokulum
Tipp 2: Sensoren richtig nutzen
Reproduzierbare Ergebnisse setzen reproduzierbare Bedingungen im Bioreaktor voraus. Dies erfordert zuverlässige Sensordaten und dies wiederum eine präzise Kalibration der Sensoren. Schauen wir uns die Konzentration des Gelöstsauerstoffs (DO) als Beispiel an. Polarisationszeit und Kalibrierungsdauer des DO-Sensors können je nach Anwender sehr unterschiedlich ausfallen, was spätere Messergebnisse beeinflussen kann. Hilfe bietet die Verwendung von speziellen Softwarefunktionen. Beispiel: Die Funktion Auto Calibrate der BioFlo® 320 und BioFlo 720 Bioreaktor-Steuerungssysteme polarisiert und kalibriert die DO-Sensoren automatisch und liefert so jedes Mal zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse.

Gelöstsauerstoff, Temperatur und pH werden in Bioprozessen routinemäßig in Echtzeit gemessen. Die Einbindung weiterer Sensortypen in die Bioprozesssteuerung erlaubt, Informationen über den Zustand der Zellen oder die Konzentration von Nährstoffen und Nebenprodukten zu gewinnen und Rückkopplungsschleifen zu implementieren. So lässt sich zum Beispiel die Fütterung der Kulturen auf der Grundlage der Glucosekonzentration im Medium automatisieren und die Nährstoffverfügbarkeit einheitlicher gestalten.

Zusammengefasst: Reproduzierbare Bedingungen im Bioreaktor tragen zum reproduzierbaren Verhalten der Zellen bei, was eine solide Grundlage für eine optimale Prozessleistung bildet.

Tipp 3: Das richtige Bioprozess-Equipment

In Zellkultur-Bioprozessen bedeutet Reproduzierbarkeit sowohl gleiches Verhalten von Replikaten als auch vergleichbares Prozessverhalten in verschiedenen Maßstäben. Das Bioprozess-Equipment kann in beiden Fällen helfen. Im kleinen Maßstab während der Prozessentwicklung ermöglichen parallele Systeme den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Bioreaktoren unter identischen Bedingungen. So können Medium und Inokulum aus denselben Chargen verwendet werden und so die Reproduzierbarkeit zwischen den Läufen erhöht werden. Das DASbox® Mini Bioreactor System , um ein Beispiel zu nennen, erlaubt die parallele Kontrolle von bis zu 24 Gefäßen. Den Scale-up vom kleinen bis zum Pilotproduktionsmaßstab erleichtert die Verwendung einer Familie von Bioreaktoren mit konstanten Merkmalen. Relevant sind unter anderem die Geometrie der Gefäße, Material und Ausstattung.

Erste Schritte zur Fehlersuche
Wenn Sie feststellen, dass Zellwachstum und Produktausbeute Ihres Bioprozesses von Tag zu Tag schwanken, ist es Zeit, sich auf Fehlersuche zu begeben. Es macht Sinn, sich zunächst auf die offensichtlichsten und zugänglichsten Punkte zu konzentrieren. Ein mögliches technisches Problem ist, dass die Sensoren oder die Gasverbindungen nicht richtig angeschlossen sind. Ein möglicher nächster Schritt ist die Analyse der Bioprozessdaten, wie die Zufuhr von Gasen und Flüssigkeiten für DO- und pH-Regelung, die Zufuhr von Fütterungsmedien und die verschiedenen Sensordaten. Helfen kann eine Bioprozesssoftware, die tiefe und detaillierte Einblicke in die Leistung des Bioreaktors bietet. Idealerweise vergleichen Sie Prozessdaten mit historischen Läufen, selbst wenn ein neues Prozessdesign evaluiert wird.

Auch Änderungen im Arbeitsablauf können Ergebnisse verändern: Habe ich zum Beispiel mein Medium in den Kühlschrank gestellt, während ich es vorher bei Raumtemperatur gelagert habe?

Eine letzte Überlegung: Wird das System regelmäßig gewartet? Mit zunehmendem Alter verschlechtern sich Sensoren und Aktoren, was zu Abweichungen führt. Dieser Effekt kann durch regelmäßige Kalibrierungen und Justierungen minimiert werden.

Fazit: Es gibt viele Fehlerquellen; es ist wichtig, die richtigen Werkzeuge zur Hand zu haben, um über genügend hochwertige Daten zu verfügen, um die Ursache festzustellen.

Lesen Sie unser ebook „Increasing the Reproducibility of Cell Culture Bioprocesses” , um mehr zu erfahren.