Sistema para la automatización y monitorización del cultivo iterativo de células madre mesenquimales para terapias de medicina regenerativa

Gonzalo De Aranda Izuzquiza - Aglaris Cell S.L

Se ha diseñado un biorreactor automático para el cultivo de células madre mesenquimales, células que pueden constituir una gran variedad de tejidos biológicos de gran importancia en el organismo humano, como cartílago o tejido cardiovascular.

Debido al auge y la esperanzadora proyección de las terapias de medicina regenerativa en el tratamiento de enfermedades degenerativas, el cáncer o la reconstrucción de tejidos y órganos biológicos dañados, surge la necesidad de obtener grandes volúmenes de células para ser utilizadas como materia prima en medicamentos.
Es por ello que han de ser diseñados métodos de producción celular que no solo puedan abastecernos de grandes cantidades de material celular, sino que también garanticen que el producto cumple los elevados estándares de calidad necesarios para la posterior utilización de las células en pacientes.
En Aglaris Cell se ha diseñado un biorreactor automático para el cultivo de células madre mesenquimales, células que pueden constituir una gran variedad de tejidos biológicos de gran importancia en el organismo humano, como cartílago o tejido cardiovascular.
El diseño de un proceso iterativo de cultivo y la utilización de micro-partículas como superficie de cultivo permiten optimizar la producción celular y obtener grandes volúmenes. La optimización del espacio es necesaria ya que es un equipo destinado a utilizarse en laboratorios de hospitales y centros de investigación, de dimensiones significativamente menores a las de los grandes espacios industriales.

Diseño de biorreactor automático para el cultivo de células madre
Para obtener el producto celular con la calidad deseada, el sistema debe ser cerrado, estéril y estar monitorizado. El cultivo ha de ser abastecido con un medio de cultivo que reúna las condiciones óptimas para su desarrollo, como la presencia de macro-moléculas concretas o gases en disolución. Estos parámetros son monitorizados por diversos sensores, y su lectura determina si el medio en uso es adecuado para el cultivo o, por el contrario, hay que desecharlo y re-abastecer el cultivo.
El equipo consta de tres módulos fundamentales de funcionamiento interconectados:
1. Módulo de acondicionamiento de medio
Los depósitos de medio de cultivo quedan almacenados a 4ºC con las condiciones requeridas para el proceso, tales como la concentración de gases disueltos. Este medio estará disponible a lo largo del proceso, ya que la temperatura permite conservar sus propiedades.
2. Módulo de cultivo
Además de encontrarse el cartucho consumible en el que se realiza el cultivo, este módulo posee actuadores que regulan condiciones de cultivo como la temperatura o la agitación. Además el cartucho consumible incluye sensores, también consumibles, que monitorizan parámetros físico-químicos del cultivo, como el pH, la concentración de glucosa en el medio o la presencia de oxígeno disuelto.
3. Módulo de control
Controla la acción de los diversos actuadores del sistema y la lectura de los sensores con el cRio-9066. Además, sirve de comunicación entre el usuario y el sistema a través de la interfaz de usuario y posee actuadores que regulan, principalmente, el flujo de líquidos y gases.

Hardware de control
Para realizar un control y monitorización preciso y cumplir las normas de regulación de calidad requeridas para un sistema de uso médico, se utiliza hardware real time de la línea compactRIO (cRIO-9066) (figura 2), con los siguientes módulos de la serie C:
- NI 9421 (Entrada digital): Sensores de posicionamiento y de estado binario.
- NI 9472 (Salida digital): Control de válvulas de dos estados y control de temperatura.
- NI 9203 (Entrada analógica). Sensores de presión, temperatura, componentes del medio de cultivo.
- NI 9263 (Salida analógica): Controlador de flujo de perfusión.
- NI 9871 (Puertos serie RS485): Controladores y sensores de flujo, motores.
La variedad de módulos de la serie C permite avanzar modularmente en tareas de prototipado sin aumentos de costes elevados.

Software
El programa consta de dos módulos real time. Uno de adquisición de datos y otro de actuación y rutinas de cultivo.
El módulo de adquisición de datos recoge información de todos los sensores que monitorizan los parámetros del sistema de manera regular. Cuando un parámetro se sale de su intervalo específico, el módulo transfiere esa información al módulo de actuación y rutinas, el cual dará las órdenes a los actuadores necesarios para reaccionar y después continuar el proceso de cultivo. Además, el usuario puede comunicarse con el dispositivo Real Time (cRIO) a través de una interfaz de usuario.
La utilización del software LabVIEW Real Time facilita programar el sistema atendiendo a las estrictas regulaciones de calidad GMP que tiene que cumplir un equipo de uso médico. Debe existir una correcta trazabilidad del proceso y datos, así como la total definición y ejecución de prioridades durante todo el proceso.
Además, la utilización de hardware CompactRIO y el software LabVIEW permite la portabilidad directa de nuestra arquitectura de software y necesidad de canales al sistema Single-board RIO. Esto permite implementar el control en un sistema más compacto y adecuado para la fabricación y distribución del producto de manera directa y sin aumentar significativamente tiempos y costes de desarrollo.

El Reto
Automatizar la producción de grandes volúmenes de células madre mesenquimales mediante el uso de procesos iterativos de cultivo celular y monitorizar los parámetros que definen la calidad e integridad del material celular para su posterior implantación en pacientes en terapias de medicina regenerativa.

La Solución
Realizar un control eficaz de diferentes actuadores (control de flujo, movimiento, temperatura...) así como obtener lectura de sensores de diversas especificaciones técnicas gracias a la modularidad que aportan los productos de la serie C (E/S analógicas y digitales, puertos seriales...) junto con la robustez del sistema CompactRIO (NI cRIO-9066) utilizando el software LabVIEW Real Time.