Im Rahmen eines aktuellen Versuchs zur Ausweitung der Thrombozytenproduktion unter Verwendung von Megakaryozyten aus iPS-Zellen entwickelten Professor Koji Eto (Abteilung für klinische Anwendung) und sein Forscherteam mithilfe von Computersimulationen und biologischen Tests neue Designänderungen für einen Impeller-basierten Bioreaktor zur groß angelegten, qualitativ hochwertigen Thrombozytenproduktion. Die Studie ist veröffentlicht in Nachrichtentechnik.
Aus iPS-Zellen gewonnene expandierbare immortalisierte Megakaryozyten-Progenitorzelllinien (imMKCLs) stellen eine erneuerbare Methode dar, um große Mengen an Blutplättchen ex vivo für Transfusionen zu produzieren. Obwohl zuvor 100 Milliarden (1011) kompetente Blutplättchen aus iPS-Zellen in einem 10-Liter-Tanksystem durch Nachbildung einer turbulenten Strömung mit optimaler turbulenter Energie und Scherspannung erzeugt wurden, ist eine echte Produktion im industriellen Maßstab erforderlich, um eine konstante Versorgung mit transfundierbaren Blutplättchen für Patienten mit Thrombozytopenie und anderen Blutplättchenerkrankungen zu gewährleisten.
Daher begann das Team diese Studie mit der Entwicklung eines 50-Liter-Polyethylentanks gemäß Good Manufacturing Practices (GMP) und Klasse IV des US-Pharmakopöe-Standards (USP) sowie eines neuen Motorreglers für eine effiziente Thrombozytenproduktion in noch größerem Maßstab.
Durch eine Computersimulation der turbulenten Energie und Scherspannung, die in solchen 50-Liter-Tanks erzeugt werden, mithilfe einer numerischen Strömungsdynamikanalyse (CFD) ermittelten die Forscher die optimale Bewegungsgeschwindigkeit für das größere System, um die Bedingungen in den zuvor untersuchten kleineren Tanks nachzuahmen. Bemerkenswerterweise zeigte der größere Tank durchweg niedrigere Wirkungsgrade als die getesteten kleineren Tanks (3 oder 10 Liter), obwohl die Geschwindigkeit optimiert wurde, um im Durchschnitt eine ähnliche turbulente Energie und Scherspannung zu erzeugen.
Darüber hinaus wurden im 50-Liter-Tank mit größerer Kapazität nicht nur weniger Thrombozyten produziert, sondern sie waren auch qualitativ schlechter und zeigten bei der Untersuchung mit einem Transmissionselektronenmikroskop ultrastrukturelle Anomalien. Schließlich zeigten sie eine geringere Leistung, als das Forschungsteam ihre Funktionen mit In-vitro-Tests oder in vivo (hämostatische und Kreislaufkinetik) nach der Transfusion in Mäuse beurteilte.
Um biologische Erkenntnisse über die mangelnde Produktion qualitativ hochwertiger Thrombozyten nach der Skalierung zu gewinnen, sammelte das Forschungsteam an den Tagen 3 und 5 der Thrombozytenproduktion imMKCLs bei unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten und analysierte sie mittels RNA-Sequenzierung. Die Hauptkomponentenanalyse ergab, dass die Kultivierungsbedingungen die Genexpressionsprofile der imMKCLs erheblich veränderten.
Während bei imMKCLs unter optimalen Bedingungen (entsprechend kleineren Tankkulturen) Gene hochreguliert sind, die mit Angiogenese, Zelladhäsion, Zytoskelett, Hypoxie, Thrombozytenfunktion und TGF-β-Signalisierung in Zusammenhang stehen, sind bei imMKCLs bei überhöhter Geschwindigkeit dagegen Gene hochreguliert, die mit Entzündungen und beschädigter Mitochondrienfunktion in Zusammenhang stehen, was mit der Produktion weniger gesunder Thrombozyten übereinstimmt.
Schließlich wurde klar, dass die Bedingungen für die hochskalierte Thrombozytenproduktion nicht ideal waren. Das Forschungsteam ging noch einmal ans Reißbrett und führte zusätzliche CFD-Simulationen durch, um zu ermitteln, ob die turbulente Strömung nach der Skalierung nicht mehr optimal war. Durch diese Analyse entdeckten sie insbesondere, dass es innerhalb des größeren 50-Liter-Tanks einen beträchtlichen Raum mit nicht optimierter turbulenter Strömung gibt.
Um diesen unerwünschten Raum (nicht turbulentes Volumen) zu minimieren, simulierte das Forschungsteam ein dreistufiges Impellersystem und fand heraus, dass es das Volumen mit fehlerhafter turbulenter Strömung reduzieren sollte. Ein solches System ist derzeit jedoch nicht kommerziell erhältlich, und daher entwickelten die Forscher ein neues Bioreaktorsystem, um eine gleichmäßigere Verteilung der Zellen und eine turbulente Strömung zu gewährleisten. Es wurde ein kleines 3-Liter-System konstruiert, das wie erwartet eine hocheffiziente Produktion hochwertiger Blutplättchen zeigte.
Obwohl noch weitere Arbeiten erforderlich sind, um ein System in größerem Maßstab zu bauen und das neue Bioreaktordesign zu testen, geht das Forschungsteam davon aus, dass die Skalierung beim nächsten Mal reibungsloser verlaufen wird, da das neue Design nicht mit denselben Einschränkungen behaftet ist.
Mehr Informationen:
Haruki Okamoto et al., Defekter Strömungsraum begrenzt die Skalierung von Turbulenzbioreaktoren zur Thrombozytenerzeugung, Nachrichtentechnik (2024). DOI: 10.1038/s44172-024-00219-y