Coatings for Bioreactor Scale-up vs Other Stem Cell Production Systems

With scale-up solutions, by contrast, the growth vessel changes, and so do the conditions cells experience. Bioreactors (large vessels for cell growth) and microcarriers (tiny spheres that can be coated with ECM and placed in a container of media so cells can grow on the exterior surface) are scale-up solutions. They require careful optimization to ensure cells maintain their quality and multipotency or pluripotency. However, compared to stacked vessels, microcarrier and bioreactor scale-up systems often require less operator time to set up and maintain.

If scaling up doesn't produce the results you need, try scaling out with stacked vessels, Wilson said. This is often necessary for neuronal cultures, for example.

The initial coating process for stacked vessels can be more labor-intensive compared to bioreactor or microcarrier systems, since each vessel must be coated by hand. Companies need to consider the employee time (and, therefore, cost) required to coat stacked vessels versus other systems with ECMs. Another consideration is that, with a greater number of vessels, there is a greater chance of variability between operators.

Bioreactor scale-up enables large-volume growth with a less labor-intensive coating process, but coatings for adherent cells must be optimized to prevent clogging or flow problems in the vessel. For example, care must be taken to ensure tubes don't clog and bioreactor layers are not too close together to accommodate the necessary ECM layers.

Microcarrier cell culture offers a hybrid space between suspended and adherent cultures. The tiny sphere-shaped carriers are first coated with ECM, then placed in a vessel seeded with cells. This eliminates worries about blocking bioreactor tubes while minimizing the labor required for coating. Corning offers pre-coated microcarriers with several coating options. However, microcarriers don't work for every cell type. As Wilson explained, some cell types are better able to grow on the curved surface of the tiny spheres than others. Other cells may alter their gene expression and therapeutic function when grown on a curved surface.

In addition to keeping stem cells from differentiating, investigators and manufacturers need to ensure the cells maintain genomic stability.

In the human body, cancer cells sometimes arise when genetic changes make them more stem cell-like. This connection between stem cells and cancer cells means that manufacturers need to monitor for chromosome abnormalities in stem cell cultures while taking measures to lessen the risk of oncogenicity, including choosing a coating that supports genomic stability.

According to Wilson, "Matrigel^® is still the most consistent substrate for maintaining chromosome integrity" in stem cells. However, as always, the choice of substrate for scale-up depends on weighing different considerations.

Padilla pointed out that cells that "proliferate at a fast rate are more likely to have chromosome aberrations. Sometimes, there is a need to intentionally slow the growth down, using specific media components."

For therapeutic products, companies must look ahead to a time when product will be offered to patients. Controlling the cost of the final therapeutic product increases the chances that insurance will reimburse for the product and that patients will have access.

Many steps in stem cell production involve cost considerations or trade-offs, but there are opportunities to drive down the cost of the final product even from the early stages of development. Wilson recommended that companies plan ahead and consider scale-up in early stem cell testing. "I hear it at least once a week — these coatings get really expensive. Cost is a huge consideration."

Padilla suggested experimenting with lower ECM protein concentrations in vessel coatings. "I recommend to our customers: How low can you go? Try some dilutions. If you used 10 mg/ml to coat a 6-well plate, that may be way more protein than you need. There's a really important step where process development tests dilutions."

Companies should also consider overall expense when choosing between animal-derived, xeno-free, or synthetic coating options.

For decades, Corning has been supporting stem cell researchers and manufacturers with innovative products. Visit our resource pages to learn about Corning's stem cell expansion offerings and cell culture surfaces, or get in touch today.

Por outro lado, com as soluções de escalonamento vertical, o recipiente de crescimento muda, assim como as condições que as células experimentam. Os biorreatores (grandes recipientes para o crescimento celular) e os microcarregadores (pequenas esferas que podem ser revestidas com MEC e colocadas em um recipiente com meio para que as células possam crescer em sua superfície externa) são soluções de escalonamento vertical. Eles requerem uma otimização cuidadosa para garantir que as células mantenham sua qualidade e pluripotência ou multipotência. No entanto, em comparação com os recipientes multicamadas, os sistemas de escalonamento vertical baseados em microcarregadores e biorreatores geralmente exigem menos tempo do operador para configuração e manutenção.

Se o escalonamento vertical não produzir os resultados necessários, tente o escalonamento horizontal com os recipientes multicamadas, disse Wilson. Isso é frequentemente necessário para culturas neuronais, por exemplo.

Escolhas de Recipientes e processos de revestimento

O processo inicial de revestimento para recipientes multicamadas pode ser mais trabalhoso em comparação com os sistemas de biorreator ou microcarregadores, uma vez que cada recipiente deve ser revestido manualmente. As empresas precisam considerar o tempo dos funcionários (e, portanto, o custo) necessário para revestir os recipientes multicamadas em comparação com outros sistemas com matrizes extracelulares (MECs). Outra consideração é que, com um maior número de recipientes, há uma maior chance de variabilidade entre os operadores.

O escalonamento vertical em biorreatores permite um crescimento em grande volume com um processo de revestimento menos trabalhoso, porém os revestimentos para células aderentes devem ser otimizados para evitar entupimentos ou problemas de fluxo no recipiente. Por exemplo, é necessário ter cuidado para garantir que as tubulações não se entupam e que as camadas do biorreator não estejam muito próximas umas das outras para acomodar as camadas necessárias de MEC.

A cultura de células em microcarregadores oferece um espaço híbrido entre cultura em suspensas e aderentes. Os pequenos carregadores em forma de esfera são primeiramente revestidos com MEC e, em seguida, colocados em um recipiente semeado com células. Isso elimina preocupações com o bloqueio das tubulações do biorreator, ao mesmo tempo em que minimiza o trabalho necessário para o revestimento. A Corning oferece microcarregadores pré-revestidos com várias opções de revestimento. No entanto, os microcarregadores não funcionam para todos os tipos de células. Como explicou Wilson, alguns tipos de células são melhores para crescer na superfície curva das pequenas esferas do que outros. Adicionalmente, algumas células podem alterar sua expressão gênica e função terapêutica quando cultivadas em uma superfície curva.

Mantendo a Integridade Cromossômica durante a Produção em Larga Escala

Além de evitar a diferenciação das células-tronco, pesquisadores e fabricantes precisam garantir que as células mantenham a estabilidade genômica. 

No corpo humano, as células cancerígenas às vezes surgem quando alterações genéticas as tornam mais semelhantes a células-tronco. Essa conexão entre células-tronco e células cancerígenas significa que os fabricantes precisam monitorar anormalidades cromossômicas em culturas de células-tronco e tomar medidas para reduzir o risco de oncogenicidade, incluindo a escolha de um revestimento que suporte a estabilidade genômica.

De acordo com Wilson, "o Matrigel^® ainda é o substrato mais consistente para manter a integridade cromossômica" em células-tronco. No entanto, como sempre, a escolha do substrato para escalonamento vertical depende da ponderação de diferentes considerações. 

Padilla ressaltou que células que "proliferam em uma taxa rápida têm mais probabilidade de apresentar aberrações cromossômicas. Às vezes, há a necessidade de intencionalmente desacelerar o crescimento, utilizando componentes específicos no meio de cultura."

A Otimização de Revestimentos pode reduzir os Custos

Para produtos terapêuticos, as empresas devem considerar o momento em que o produto será oferecido aos pacientes. Controlar o custo do produto terapêutico final aumentam as chances de reembolso através dos planos de saúde e de acesso do produto aos pacientes.

Muitas etapas na produção de células-tronco envolvem considerações de custo ou escolhas, mas existem oportunidades de redução de custos do produto desde as primeiras etapas de desenvolvimento. Wilson recomendou que as empresas se planejem com antecedência e considerem o escalonamento vertical já nos primeiros testes com as células-tronco. "Eu ouço pelo menos uma vez por semana - esses revestimentos ficam realmente caros. O custo é uma consideração enorme."

Padilla sugeriu experimentar MECs com concentrações de proteínas mais baixas no revestimento dos recipientes. "Eu recomendo aos nossos clientes: até onde você pode reduzir? Experimente algumas diluições. Se você usou 10 mg/ml para revestir uma placa de 6 poços, pode ser muito mais proteína do que você precisa. Há uma etapa realmente importante no desenvolvimento do processo onde diluições devem ser testadas."

As empresas também devem considerar o custo geral ao escolher entre opções de revestimento derivadas de animais, livres de xenobióticos ou sintéticas.

A Experiência da Corning com Células-Tronco

Durante décadas, a Corning tem apoiado pesquisadores e fabricantes de células-tronco com produtos inovadores. Visite nossa área de materiais técnicos para conhecer as ofertas da Corning para a expansão de células-tronco e superfícies de cultura celular, ou entre em contato conosco hoje mesmo.