Усовершенствование турбулентного потока для масштабирования производства тромбоцитов из iPS-клеток

Исследователи под руководством профессора Кодзи Это с помощью компьютерного моделирования и биологических тестов предложили изменения в конструкции биореактора с импеллером для крупномасштабного производства высококачественных тромбоцитов из iPS-клеток. Работа опубликована в Communications Engineering.

Иммортализованные экспандируемые клетки-предшественники мегакариоцитов (imMKCL), полученные из iPS-клеток, — это возобновляемый источник для производства больших количеств тромбоцитов ex vivo. Ранее команда смогла получить 100 миллиардов (10¹¹) функциональных тромбоцитов в 10-литровой системе, воссоздав турбулентный поток с оптимальной энергией турбулентности и напряжением сдвига. Однако для постоянного снабжения пациентов с тромбоцитопенией необходимы промышленные масштабы производства.

Для этого команда разработала 50-литровый одноразовый танк класса GMP (надлежащая производственная практика) стандарта USP класса IV из полиэтилена и новый регулятор двигателя.

С помощью компьютерного гидродинамического (CFD) моделирования энергии турбулентности и напряжения сдвига в 50-литровом танке исследователи определили оптимальную скорость движения для воспроизведения условий меньших танков (3 или 10 л). Однако даже при оптимизированной скорости, дающей схожие средние значения энергии турбулентности и напряжения сдвига, эффективность большего танка была стабильно ниже.

Более того, тромбоциты, произведённые в 50-литровой системе, были не только менее многочисленными, но и качественно хуже: при исследовании методом просвечивающей электронной микроскопии были выявлены ультраструктурные аномалии. Эти тромбоциты показали более низкую функциональность в in vitro тестах и in vivo (гемостаз и кинетика циркуляции) после переливания мышам.

Для понимания причин неудачи при масштабировании, команда собрала imMKCL на 3-й и 5-й день производства при разных скоростях и провела РНК-секвенирование. Анализ главных компонент показал, что условия культивирования существенно меняют профили экспрессии генов imMKCL.

При оптимальных условиях (как в малых танках) в imMKCL активировались гены, связанные с ангиогенезом, адгезией клеток, цитоскелетом, гипоксией, функцией тромбоцитов и сигнализацией TGF-β. В условиях избыточной скорости, напротив, активировались гены, связанные с воспалением и нарушением функции митохондрий, что согласуется с производством менее качественных тромбоцитов.

Дополнительное CFD-моделирование показало, что в 50-литровом танке существует значительный объём с неоптимальным турбулентным потоком. Для минимизации этого «нежелательного» объёма команда смоделировала систему с трёхуровневым импеллером, которая должна решить проблему. Поскольку такая система не доступна коммерчески, исследователи разработали новый биореактор для более равномерного распределения клеток и турбулентного потока.

Тестирование небольшой 3-литровой версии новой системы подтвердило высокоэффективное производство качественных тромбоцитов. Хотя для тестирования дизайна в крупном масштабе требуется дополнительная работа, команда ожидает, что дальнейшее масштабирование пройдёт успешнее, так как новая конструкция лишена прежних ограничений.