Dzięki zdolności do modulowania odpowiedzi immunologicznej, wpływania na procesy zapalne czy inicjowania regeneracji tkanek pęcherzyki mogą stać się alternatywą dla terapii komórkowych, które mimo obiecujących wyników, wciąż borykają się z problemami standaryzacji i bezpieczeństwa. Największym wyzwaniem pozostaje jednak ich masowa produkcja, ponieważ w przypadku zastosowań klinicznych potrzebne są nie miliony, lecz miliardy takich struktur wytworzonych w powtarzalny i kontrolowany sposób.

W ostatnich miesiącach głośno zrobiło się o doniesieniach zespołu inżynierów z Uniwersytetu Centralnej Florydy, którzy zaprezentowali metodę skalowania produkcji pęcherzyków zewnątrzkomórkowych w zawiesinowych hodowlach komórkowych przy użyciu zamkniętych bioreaktorów. Urządzenia te pozwalają na precyzyjne kontrolowanie parametrów środowiska hodowlanego, takich jak: pH, natlenienie, temperatura czy stężenie składników odżywczych, co przekłada się na znaczący wzrost liczby komórek w hodowli, a więc również ilość wydzielanych pęcherzyków. Badacze podkreślają, że ich technologia nie tylko zwiększa liczbę pozyskiwanych cząsteczek, ale przede wszystkim zapewnia powtarzalność procesu, co stanowi warunek niezbędny do wdrożenia klinicznego. W przeciwieństwie do klasycznych hodowli komórek prowadzonych na płaskich powierzchniach, w których skalowanie wiąże się z ogromnymi stratami efektywności, zamknięte systemy bioreaktorowe umożliwiają kontrolę nad każdym etapem produkcji i ograniczają ryzyko zanieczyszczenia.

Na polu bioreaktorów rozwijanych z myślą o pęcherzykach zewnątrzkomórkowych wyróżnia się kilka podejść technologicznych, które odpowiadają na odmienne wyzwania. Szczególne zainteresowanie budzą bioreaktory włókniste, w których komórki osadzają się na porowatych membranach przypominających naturalne środowisko tkankowe. Dzięki temu rosną w trójwymiarowych strukturach, co sprzyja zwiększonej produkcji pęcherzyków i lepiej odzwierciedla warunki fizjologiczne. Systemy tego typu są już wykorzystywane do badań przedklinicznych, ale ich wadą pozostaje ograniczona elastyczność, jeśli chodzi o szybkie zmiany warunków hodowli. Innym kierunkiem są bioreaktory mieszane, czyli klasyczne układy zbiornikowe, w których komórki unoszą się w pożywce i poddawane są ciągłemu mieszaniu. Pozwalają one na bardzo wydajne dostarczanie substancji odżywczych i usuwanie metabolitów, a ich zaletą jest łatwość skalowania – technologia ta jest od dekad stosowana w produkcji szczepionek czy przeciwciał monoklonalnych. Problemem bywa jednak wrażliwość komórek na siły ścinające, które mogą prowadzić do ich uszkodzenia, a tym samym – zmniejszać liczbę wydzielanych pęcherzyków. Dlatego istotne staje się precyzyjne dostosowanie warunków mieszania, lepkości pożywki hodowlanej i parametrów przepływu gazów w hodowli. Na horyzoncie pojawiają się także technologie mikroprzepływowe, które choć wciąż w fazie badań laboratoryjnych, otwierają zupełnie nowe możliwości. Dzięki systemom mikrokanalików można niezwykle precyzyjnie kontrolować warunki hodowli, regulować gradienty stężeń substancji odżywczych czy poziom stresu mechanicznego, a tym samym – standaryzować proces na poziomie trudnym do osiągnięcia w klasycznych bioreaktorach. Choć systemy te nie są jeszcze gotowe do produkcji przemysłowej, mogą w przyszłości stać się przełomem w tworzeniu jednolitych, wysokiej jakości populacji pęcherzyków.

Każde z tych podejść oferuje unikalny zestaw zalet i ograniczeń, a ich dobór zależy od tego, czy priorytetem jest ilość, jakość, czy łatwość wdrożenia do praktyki klinicznej. Bioreaktory włókniste sprzyjają fizjologicznemu zachowaniu komórek, mieszane umożliwiają największą skalę, a mikroprzepływowe – zapewniają precyzję i standaryzację. To właśnie na styku tych rozwiązań toczy się dziś rywalizacja badawcza, której efektem ma być stworzenie technologii łączącej wydajność, bezpieczeństwo i możliwość produkcji zgodnej z rygorami dobrej praktyki wytwarzania. Rozwój technologii bioreaktorowych w kontekście pęcherzyków zewnątrzkomórkowych nie jest więc jedynie technicznym ulepszeniem metod laboratoryjnych, ale fundamentem przyszłych terapii. Jeśli uda się opracować system pozwalający na produkcję standaryzowanych, czystych i stabilnych populacji EV, możliwe stanie się ich szerokie zastosowanie w leczeniu chorób nowotworowych, neurologicznych czy w regeneracji uszkodzonych tkanek.

Komentarz eksperta – Bartosza Majchrzaka

Ze względu na możliwości skalowania procesu do objętości rzędu tysięcy litrów bioreaktory stanowią szczyt możliwości produkcyjnych w segmencie biotechnologii. Pierwotnie produkcja w komórkach cząsteczek biologicznych – przykładowo przeciwciał monoklonalnych lub właśnie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych będących przedmiotem tego artykułu – odbywała się w naczyniach hodowlanych. Metoda ta, wciąż wykorzystywana w skali laboratoryjnej, polega na umieszczeniu wspomnianych naczyń w inkubatorach, które pozwalają na ograniczoną kontrolę warunków środowiska – utrzymują wewnątrz komory stałą temperaturę, wilgotność oraz stężenie tlenu i dwutlenku węgla. Rozwiązanie to jest jednak nieopłacalne w przypadku produkcji leków na skalę przemysłową. Głównym ograniczeniem jest maksymalna objętość naczyń hodowlanych wynosząca kilka litrów. Drugim problemem jest fakt, że w miarę wzrostu liczby komórek w hodowli warunki wewnątrz naczynia ulegają zmianie, wpływając na kondycję hodowli.

W tym miejscu na scenę wkraczają bioreaktory. Poza oczywistą przewagą dopuszczalnej objętości hodowli komórkowej są one w stanie, wykorzystując różnego rodzaju sondy próbnikowe, dokonywać pomiaru różnych parametrów hodowli, takich jak: temperatura, pH, stężenie gazów (w tym przede wszystkim tlenu) oraz metabolitów. Co istotne, w przeciwieństwie do inkubatorów, bioreaktory są w stanie, posługując się danymi z sond, dostosować samodzielnie w czasie rzeczywistym swoje działanie, umożliwiając utrzymanie stałych warunków w hodowli, co przekłada się na zwiększenie liczby oraz kondycji komórek. Robią to, wykorzystując oprogramowanie oparte na regulatorach PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujących), które, działając na zasadzie sprzężenia zwrotnego, aktywnie dostosowują działanie układu do aktualnych warunków. Są one modyfikowalne, co pozwala na dostosowanie działania maszyny do konkretnego procesu produkcyjnego. Dodatkowo bioreaktorowe systemy komputerowe wyposażone są w funkcję rejestracji danych, pozwalając na analizę wszystkich zdarzeń i kluczowych parametrów, co umożliwia dalszą optymalizację procesu. Przeskok z produkcji cząsteczek w setkach naczyń hodowlanych na produkcję bioreaktorową w skali tysięcy litrów pozwala na zwiększenie ilości produktu o wystandaryzowanej jakości, zmniejszenie kosztów oraz zapewnienie stabilności produkcji, co bezpośrednio przekłada się na dostępność potencjalnych terapii dla tysięcy pacjentów na całym świecie.

--

Bartosz Majchrzak – magister biotechnologii, który swoją przygodę z bioreaktorami zaczął w Polpharma Biologics, gdzie odpowiadał początkowo za ich testowanie, a następnie miał okazję sprawdzić je „w boju”, uczestnicząc w produkcji przeciwciał monoklonalnych na skalę przemysłową. Obecnie pracownik LabFarm – pierwszej firmy w Polsce zajmującej się produkcją mięsa komórkowego – technologią, która ma szansę zmienić świat.