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Einwegbioreaktoren

Disposables für Zellkulturen: Status Quo und Trends

26.11.2007 | Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Regine Eibl und Prof. Dr.-Ing. Dieter Eibl / Anke Geipel-Kern

Auf dem Markt sind unterschiedliche Einwegbioreaktoren verfügbar. Die Abbildung zeigt eine Auswahl.
Auf dem Markt sind unterschiedliche Einwegbioreaktoren verfügbar. Die Abbildung zeigt eine Auswahl.

Neben Einwegfiltern, Pumpen, peripheren Elementen zum Koppeln und Einwegsystemen für das Downstream-Processing sind verschiedene Einwegbioreaktoren auf dem Markt verfügbar. Der Übersichtsbeitrag nimmt die verschiedenen Systeme unter die Lupe.

Typisch für den Einwegbioreaktor ist seine sterile, aus Kunststoff bestehende Kultivierungseinheit in Form einer Kulturschale, einer Flasche oder eines Bags. Nach Abschluss der Produkternte wird die Kultivierungseinheit entsorgt.

Verglichen mit ihren Gegenspielern aus Glas oder Edelstahl, zeigen Einwegbioreaktoren zahlreiche Vorteile wie kurze Installationszeiten, keine aufwändigen Sterilisations- und Reinigungsoperationen, reduzierte Cross-Kontaminationsraten sowie einen einfachen Aufbau bei einer hohen Flexibilität. Innerhalb von Minuten können neue Ansätze erfolgen oder sogar ein Produktwechsel vollzogen werden. Limitierende Faktoren sind dagegen die Begrenzung im Maßstab, die noch nicht ausgereifte Einwegsensortechnik, die mögliche Abgabe sogenannter Leachables und Extractables durch das Plastematerial und die fehlende Erfahrung im Rahmen von Zulassungsverfahren mit Einwegbioreaktoren. Die Einwegbioreaktoren, die nachfolgend vorgestellt werden, lassen sich drei Kategorien zuordnen: den traditionellen, kleinvolumigen Kultursystemen und ihren Modifikationen, Hohlfaserbioreaktoren und den Bagbioreaktoren.

Kultursysteme

Petrischalen, statische Kulturflaschen und Rollerflaschen sind die ältesten Einwegkultivierungssysteme für in Suspension und adhärent wachsende, tierische Zellen. Sie zeichnen sich durch einen niedrigen Instrumentierungsgrad aus. Um das für das Zellwachstum und die Produktion optimale Milieu für die Zellen zu garantieren, erfordert die Anwendung dieser typischen Zellproduktionssysteme immer zusätzliches, externes Equipment wie Inkubatoren und Schüttler. Modifikationen dieser einfachen, kleinvolumigen Bioreaktoren sind statische (z.B. Cellline von Integra Biosciences) als auch rotierende Membranflaschenbioreaktoren (Miniperm von Greiner Bio-One) und auf Wannenstapeln basierende Bioreaktoren (z.B. Nunc Cell Factory, Hyperflask von Corning). Infolge der durch diese modifizierten Bioreaktoren garantierten Zellzahlen (z.T. > 107 Zellen ml-1) und Produkttiter (mg-Bereich) sind sie häufig das System der Wahl für Screeningexperimente und die Herstellung klinischer Muster. Darüber hinaus arbeiten verschiedene Hersteller tierischer und humaner Vakzine mit Wannenstapeln und Rollerflaschen als Produktionsbioreaktoren. Jedoch zeichnet sich hier seit einigen Jahren der Trend zur Prozessautomatisierung und Nutzung von Robotertechnik ab, um den Anteil an manueller Arbeit zu reduzieren.

Weitere Entwicklungen sind die mit Fibracel-Carriern im Immersionsprinzip betriebenen Einwegflaschen (Fibrastage) von New Brunswick Scientific, Einwegspinner bzw. von ihnen abgeleitete Systeme (z.B. Superspinner von Sartorius Stedim Biotech, Cellfermpro von Dasgip) und geschüttelte Bioreaktoren, die mit Plasteröhrchen (Tubespin von Excellgene) oder Multiwellplatten (µ-24 Bioreactor von Applikon) arbeiten. Solche geschüttelten Einwegbioreaktoren werden bisher bevorzugt für das Scale-down und Medienoptimierungen verwendet, zeigen sie doch eine gute Übereinstimmung mit jenen, die im Großmaßstab für Zellsuspensionen dominieren. So wurde ein geschüttelter Einwegbioreaktor mit 20 l- und 50 l-Kulturflaschen an der RWTH Aachen verfahrenstechnisch charakterisiert und für die Massenvermehrung von Insekten-, CHO-, Hybridoma- und Tabakzellen qualifiziert. Eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Florian Wurm von der EPFL entwickelt in Kooperation mit Excellgene und Kühner (Schweiz) einen geschüttelten Ein-Kubikmeter-Einwegbioreaktor für tierische Zellen.

Hohlfaserbioreaktoren

Die in den 80er Jahren eingeführten Hohlfaserbioreaktoren (z.B. Fibercell, Autovaxid von Biovest) gehören der Gruppe der Hochzelldichtebioreaktoren mit hydraulischem Energieeintrag an. In der Regel wachsen die Zellen und wird das Produkt außerhalb der in einem statischen Kultivierungsmodul integrierten Hohlfasern, dem so genannten extrakapillaren Raum, sezerniert. Das mit Sauerstoff durch ein separates Modul, den Oxygenator, angereicherte Medium fließt dabei kontinuierlich durch die Hohlfasern, den intrakapillaren Raum. Als Folge des kleinen Kulturvolumens der Hohlfaserbioreaktoren, das sich zwischen 2,5 bis 1000 ml pro Modul bewegt, beschränkt sich ihre Anwendung auf kleinvolumige Produktionen (z.B. Herstellung von diagnostischen Antikörpern) und die Forschung. Beim neuartigen Hohlfaserbioreaktorsystem MBB der Probiogen wachsen die Zellen in den Hohlfasern rotierender Kultivierungsmodule, die parallel geschaltet werden können, und werden mit Kulturmedium aus dem extrakapillaren Raum versorgt. Ein MBB-System für Glykoproteinproduktionen bis 400 l Kulturvolumen ist angekündigt.

Generell kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Hohlfaserbioreaktoren ebenso wie die zuvor aufgeführten Mem-branflaschenbioreaktoren wegen der heute geforderten, serumfreien und chemisch definierten Prozesse und dem daraus resultierenden, zunehmenden Einsatz von in Suspension wachsenden Zellen ihre Bedeutung verloren haben. Bekannte Ausnahmen sind die Vermehrung von autologen Zellen für Zelltherapien, die Herstellung von zwei- bzw. dreidimensionalen Gewebekonstrukten für die Transplantationsmedizin und der Gebrauch von Organmodulen (extrakorporale Organoide, bioartifizielle Organe) zur Überbrückung von Organausfällen.

Bagbioreaktoren

Der älteste Bagbioreaktor, der 1995 in der Fachliteratur erstmals erwähnt wurde, war Osmoteks Life Reactor (Airliftprinzip). In diesem für die Massenvermehrung von Pflanzenzellen und Sekundärstoffproduktionen konzipierten Bioreaktor wird der Energieeintrag ausschließlich über den Gaseintrag (pneumatisch) realisiert. In den späten 90er Jahren kamen mit dem Plastic-lined Bio-Reactor ein zweiter Einwegbioreaktor mit pneumatischem Energieeintrag und schließlich die frühe Laborversion eines Waves auf den Markt.

Es ist unbestritten, dass der Wave und seine Erfolgsgeschichte die Entwicklung der Bagbioreaktoren mit mechanischem Energieeintrag, zu denen Systeme mit rotierendem Rührorgan, ein Reaktor mit taumelndem Rührorgan (Artelis-ATMI Life-sciences’ Pad-Drive disposable bioreactor) und ein Bioreaktor mit Vibromischer (Bio-t bag) neben den verschiedenen Varianten von Wellen durchmischten Reaktoren zählen, maßgebend beeinflusst hat. Während die Wellen durchmischten Bioreaktoren (WIM = Wave Induced Motion) mit Schüttelplattform (z.B. Tsunami Bioreactor, Appliflex, Cell-tainer, Optima und Orbicell) für Kultivierungen mit animalen Zellen prädestiniert sind, ist Nestlés WUB (Wave and Undertow Bioreactor) mit dem beweglichen Kopfteil der Plattform eher für die Propagation weniger scherempfindlicher, pflanzlicher Suspensionszellen geeignet. Beim Cell-tainer garantiert die zweidimensionale Schüttelbewegung den für Wellen durchmischte Bagbioreaktoren effizientesten Sauerstoffübergang (KL*a-Werte bis 300 h-1), womit sich dieses System sogar für mikrobielle Hochzelldichteprozesse anbietet.

Wegen seines breiten Einsatzspektrums, seiner Scale up-Fähigkeit (einschließlich der Verfügbarkeit von Scale up-Kriterien) und den überzeugenden Resultaten aus seiner verfahrenstechnischen Charakterisierung, exponieren sich der Biowave und sein Nachfolger, der Biostat Cultibag RM, sowie der Wave Bioreactor unter den Wellen durchmischten Einwegbioreaktoren. Viele Veröffentlichungen zeigen ihre Eignung und Überlegenheit bei der Herstellung von Seedinokulum, Zellen für Zelltherapien, Sekundärmetaboliten, rekombinanten Proteinen, monoklonalen Antikörpern und Viren in Prozessen mit geringem Sauerstoffbedarf. Es handelt sich um Kultivierungen mit pflanzlichen Suspensionskulturen, Hairy Roots, Makroalgensuspensionszellen, adhärent sowie in Suspension wachsende Säugerzellen und Insektenzellen.

Auch neue Einwegbioreaktoren mit pneumatischem Energieeintrag stehen seit 2006 zur Verfügung. Der SBB (Slug Bubble Bioreactor), eine Blasensäule, eignet sich nachweislich für die Kultivierung pflanzlicher Zellsuspensionen. Der Cellmaker, der sowohl als Airliftbioreaktor als auch als hybrides System (Airlift-/Rührreaktor) betrieben werden kann, empfiehlt sich für Produktionsorganismen mit tiefem bis hohem Sauerstoffbedarf. Für Anhänger der Rührreaktortechnologie, die für Zellkulturen in der Forschung und Produktion den goldenen Standard darstellt, gibt es die beiden Einwegversionen S.U.B. (Single-Use-Bioreactor) und XDR (Disposable Stirred Tank Bioreactor) mit Kulturvolumen bis 1000 l. Zusammen mit den aus Überexpressionen und Medienoptimierungen resultierenden Produkttitern etablierter Hochleistungszelllinien legen diese vollautomatisierten, gerührten Bagbioreaktoren den Grundstein für die kompletten Einwegproduktionsstätten der Zukunft. Wegen ihrer steriltechnischen Sicherheit (statische Dichtungen) und einfachen Scale up-Fähigkeit wird darüber hinaus angenommen, dass auch exzentrisch angetriebene Bagbioreaktoren mit Taumelrührer sowie besonders Bagbioreaktoren mit Vibromischer an Bedeutung gewinnen werden.

R.Eibl, D.Eibl, Züricher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Life Sciences’ und Facility Management, IBT Institut für Biotechnologie, Wädenswil, Schweiz

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