Surveillance de l’O2 et du CO2 à l’aide de bioréacteurs de paillasse

Dans cette interview, le Dr Patrick Floris parle à AZoM d’expériences en culture cellulaire et du rôle de l’analyse des effluents gazeux dans ses recherches qu’il a menées dans le cadre de la collaboration entre Thermo Fisher et le laboratoire de caractérisation et de comparabilité du NIBRT

Pouvez-vous donner un aperçu de vos expériences de recherche en culture cellulaire, en particulier les expériences présentées dans votre matériel publié?

La publication d’intérêt a discuté des processus de culture de cellules de mammifères typiques utilisant un hôte CHO-K1.

Notre objectif était d’utiliser ces processus comme modèle pour évaluer l’intégration de plusieurs PAT et de technologies relativement nouvelles, telles que le secteur magnétique MS de Thermo Fisher, pour effectuer la caractérisation des processus et des produits en ligne au sein de la même plate-forme.

Quels sont les paramètres de processus critiques qui figurent dans les applications de culture cellulaire typiques?

Typiquement, dans les applications de culture cellulaire, les CPP comprendront par exemple le pH, la température et les niveaux d’oxygène dissous. Dans les travaux décrits dans cette publication, nous nous sommes penchés sur l’impact des méthodes de distribution de gaz et des débits d’air et d’oxygène en particulier

Le métabolite et les niveaux de nutriments au cours des processus ont également été évalués car ces paramètres ont fourni des informations sur le comportement de la culture cellulaire qui nous ont finalement permis de mieux évaluer les technologies en ligne que nous avons mises en œuvre.

Oxygène dissous – Crédit d’image: Shutterstock / dkidpix

Comment l’analyse des effluents gazeux figure-t-elle dans votre recherche?

Le spectromètre de masse à secteur magnétique qui a été utilisé dans nos recherches a été configuré via une configuration en ligne avec des bioréacteurs de paillasse à volume de travail de 5L à l’échelle du laboratoire.

Nous avons évalué si MS en ligne pouvait fournir des données de processus en temps réel qui nous permettraient de déterminer si la culture progressait comme prévu à travers plusieurs configurations. Il y a eu une phase de développement initiale au cours du projet où la méthode de distribution de gaz a été configurée sous une forme relativement simple qui a permis au MS de fournir les informations requises sur les concentrations de gaz fournies à la culture et également la concentration de gaz sortant de la culture.

Lors de l’évaluation initiale, nous avions mis en place un mécanisme de séparation du gaz introduit pour le diriger simultanément vers le bioréacteur et le détecteur MS qui ne fonctionnaient pas aussi bien que nous l’avions espéré.

Cependant, l’équipe de Thermo Fisher a été innovante et a par la suite mis en œuvre de nouvelles approches pour générer les données tout au long de la culture, minimisant certains des problèmes que nous avons rencontrés au départ et qui ont entraîné la variabilité des débits de gaz introduits.

Nous voulions avant tout surveiller les concentrations d’O₂ et Cie₂, les nouvelles approches mises en œuvre nous ont donc permis d’obtenir des informations plus précises sur les deux espèces cibles au fur et à mesure qu’elles entraient et sortaient du navire.

En déterminant avec précision la concentration de ces espèces, nous pourrions mieux comprendre le comportement cellulaire, en voyant précisément les moments de la culture où ce comportement a changé. Cela se faisait généralement par le biais des calculs du quotient respiratoire (QR) fournis par le logiciel Thermo Fisher Gasworks.

La détermination du QR est généralement difficile à mesurer dans les cultures de cellules de mammifères car la densité cellulaire n’est généralement pas élevée comme par exemple dans les processus de fermentation bactérienne. Si la densité cellulaire n’est pas particulièrement élevée, il y aura très peu d’activité respiratoire présente, vous aurez donc besoin de techniques sensibles comme la technologie MS que nous avons évaluée afin de capter l’activité respiratoire cellulaire subtile et d’obtenir des mesures précises du QR.

Crédit d’image: Shutterstock / jörg röse-oberreich

Quel rôle a joué Thermo Fisher dans vos recherches?

Cette recherche était très collaborative. Thermo Fisher nous a non seulement fourni l’instrumentation et le savoir-faire technique pour le configurer, mais la société nous a également soutenus par des examens périodiques des données, nous aidant à comprendre comment nous pourrions mieux performer dans les expériences ultérieures.

Ce fut une collaboration productive car ils ont été fortement impliqués dès les premières étapes.

Il y avait un certain développement nécessaire en termes de configuration électronique. Parce que nous utilisions un bioréacteur de paillasse HyPerforma de Thermo Fisher, les protocoles de communication étaient accessibles, mais cela nécessitait encore des connaissances sur la façon dont la configuration pouvait évoluer au fil du temps.

Dans l’ensemble, le soutien de Thermo Fisher a été essentiel pour fournir les résultats que nous avons réussi à fournir.

Pourquoi le spectromètre de masse Prima BT a-t-il été choisi pour effectuer votre analyse des effluents gazeux?

Le Prima BT offre plusieurs avantages par rapport aux autres types d’outils de spectrométrie de masse, principalement parce qu’il repose sur la technologie du secteur magnétique. Le secteur magnétique n’est pas affecté par les petits changements de position de masse dans le spectre.

Par exemple, les pics d’une détection quadripolaire auront la forme gaussienne typique, si des dérives de masse se produisent, l’intensité changera donc également. Avec un secteur magnétique, cependant, ces petits changements de masse n’entraînent pas de changement d’intensité car les pics sont plats et larges.

C’était un avantage et l’une des principales raisons pour lesquelles nous avons évalué la technologie du secteur magnétique et le Prima BT de Thermo Fisher via nos expériences.

L’utilisation du Prima BT vous a-t-elle aidé à obtenir d’autres informations importantes liées au processus?

C’est le cas, en particulier lorsque nous avons examiné des éléments que nous pensions à l’origine être uniquement à titre d’information, par exemple le débitmètre présent dans l’instrument à secteur magnétique.

Nous avons initialement examiné les valeurs de débit des gaz entrant dans la SM pour nous assurer que nous fournissions un débit suffisant pour que le spectromètre de masse mesure avec précision les espèces que nous voulions déterminer.

Cependant, nous avons également trouvé des informations supplémentaires auxquelles nous ne nous attendions pas, telles que l’intégrité des filtres. En règle générale, l’intégrité du filtre ne serait évaluée qu’avant le démarrage de la culture pendant les étapes de construction du bioréacteur. Cette approche ne fournit aucun moyen de suivre l’intégrité du filtre tout au long du processus.

En surveillant en permanence le débit des gaz d’échappement à travers MS, nous avons également pu voir que le filtre d’échappement était obstrué à des moments aléatoires tout au long de la culture.

Cela nous a permis d’éviter que les choses ne se détériorent et d’éviter les accumulations de pression dans les bioréacteurs. Il s’agissait d’une fonctionnalité complémentaire de MS qui nous a fourni des informations de processus précieuses.

Quelle est la suite de vos recherches dans ce domaine?

Après l’achèvement de ce projet, je passe à un autre rôle plus axé sur les activités de transfert de technologie plutôt que sur la recherche. Cependant, je pense que les commentaires que nous avons fournis à Thermo Fisher peuvent être utilisés pour développer davantage la technologie et pour l’optimiser en termes de configuration avec des bioréacteurs pour surveiller les processus de culture de cellules de mammifères.

À propos du Dr Patrick Floris

Le Dr Floris a obtenu son diplôme de BSc (Hons) en sciences chimiques du Dublin Institute of Technology et son doctorat. de la Dublin City University se concentrant sur le développement de phases stationnaires monolithiques fonctionnalisées avec des nanomatériaux pour des applications en micro-catalyse et chromatographie liquide capillaire. Il a rejoint le laboratoire de caractérisation et de comparabilité du NIBRT en 2015 où il a travaillé sur la caractérisation LC-MS des milieux de culture cellulaire industriels pour surveiller les sources de variabilité des processus. Au NIBRT, il a également été impliqué dans l’intégration de nouvelles approches PAT pour la surveillance et la caractérisation en temps réel des processus de culture de cellules de mammifères.