Raccolta di cellule: diventare culturale

Peter Rose di Alfa Laval esamina una delle aree di crescita della filtrazione e separazione biofarmaceutica: la raccolta di cellule di mammifero per produrre nuovi farmaci e medicinali. L'articolo esamina le origini della tecnologia utilizzata in questo settore dell'industria e considera i recenti sviluppi.

Noi, cioè i mammiferi, siamo composti da cellule. Il riflesso che hai di fronte in uno specchio può sembrare abbastanza solido, ma ciò che stai realmente vedendo sono circa 10 trilioni di cellule divise in circa 200 tipi diversi. Questi gruppi cellulari sono piuttosto specializzati: i fegati sono costituiti da cellule epatiche, i muscoli da cellule muscolari specializzate e così via.

La coltivazione e la raccolta di cellule di mammifero al di fuori del corpo e in laboratorio o in fabbrica per produrre nuovi farmaci e medicinali è uno dei settori più entusiasmanti del moderno settore delle scienze della vita. Eppure, per quanto inverosimile possa sembrare, questi enormi progressi nella scienza medica possono essere fatti risalire a un pollo che fu sezionato verso la fine del XIX secolo; 1885 per la precisione. Fu allora che Wilhelm Roux riuscì a mantenere per alcuni giorni la placca midollare del suddetto embrione di pollo in una soluzione salina calda e stabilì così per la prima volta il principio della coltura dei tessuti.

Il suo lavoro fu portato avanti in diverse fasi dagli scienziati della John Hopkins Medical School e dell'Università di Yale durante il primo decennio del XX secolo. Negli anni Quaranta e Cinquanta i virus coltivati ​​in colture cellulari venivano utilizzati nella produzione di vaccini. I vaccini antipolio che hanno finalmente eliminato la minaccia della malattia sono stati coltivati ​​in colture cellulari di reni di scimmia.

Oggigiorno, naturalmente, la produzione di farmaci basata sulla coltura cellulare è uno dei settori della biotecnologia in più rapida crescita. Il suo rapido successo deve molto allo sviluppo parallelo di tecnologie per le tre fasi chiave della crescita delle colture cellulari: fermentazione, raccolta e purificazione.

La raccolta viene effettuata separando la coltura cellulare dal terreno di coltura e per eseguire questa delicata operazione vengono utilizzate diverse tecniche; centrifugazione, microfiltrazione, filtrazione di profondità e filtrazione attraverso membrane a dimensione assoluta dei pori. Tra le diverse tecniche, la centrifugazione è quella più comunemente estesa dai livelli di produzione di laboratorio a quelli di fabbrica.

La centrifugazione sfrutta la differenza di densità tra i solidi e il fluido circostante e accelera la sedimentazione che normalmente avverrebbe durante la sedimentazione. La maggior parte delle applicazioni industriali utilizza centrifughe a dischi per rimuovere cellule e detriti cellulari dal brodo nutriente. Le centrifughe a dischi offrono un funzionamento continuo, rendendo la loro produttività coerente con il desiderio di limitare il tempo per le operazioni di raccolta.

Naturalmente la cosa non è così semplice come sembra. Le cellule dei mammiferi sono organismi molto fragili, quindi, sebbene una centrifuga a dischi renda il lavoro di separazione relativamente semplice, il trucco sta nel farlo con il minimo danno al prodotto. L'accelerazione del materiale per mangimi ricco di proteine ​​richiede una frazione di secondo. Ma anche se la velocità è essenziale, non deve andare a scapito della distruzione della membrana cellulare altamente sensibile al taglio che rilascerebbe proteine ​​intracellulari indesiderate nel brodo – un processo noto come lisi.

Prevenendo un'ulteriore lisi durante l'accelerazione è possibile aumentare la capacità del separatore ottenendo comunque il risultato di separazione richiesto. Anche la purificazione a valle delle proteine ​​bersaglio è semplificata e può essere effettuata utilizzando apparecchiature più compatte, generando così notevoli risparmi nel processo. La sfida, quindi, è ottenere la massima efficienza di separazione con la minima interruzione del prodotto.

Proprio come la coltura cellulare si è sviluppata da origini relativamente umili, così si sono sviluppate anche le attrezzature utilizzate per raccoglierla. Infatti, fin dalle prime fasi della scienza delle colture cellulari, quando Alfa Laval ha collaborato con i leader del settore nello sviluppo di fermentazioni di colture cellulari su larga scala, è diventato presto evidente che le caratteristiche delle colture cellulari richiedevano design dei separatori estremamente delicati. Ciò a cui si sono rivolti è stato il fuso cavo che deve le sue origini a concetti originariamente sviluppati per l'industria lattiero-casearia dove il tocco delicato veniva utilizzato per evitare che le particelle di grasso nel latte si separassero durante l'accelerazione. Decenni dopo, la stessa tecnologia è una pietra miliare nella moderna lavorazione delle colture cellulari.