Las terapias avanzadas (ATMP) están revolucionando el campo de la medicina regenerativa, gracias a su eficacia para tratar la causa subyacente de las enfermedades y las necesidades médicas no cubiertas, mediante la reparación, sustitución o al regeneración de órganos, tejidos, células, genes y procesos metabólicos del organismo.
Ingeniería de bioprocesos para la producción de células estromales mesenquimales
El Dr. Víctor García Gragera defendió su tesis en IQS, en la que ha desarrollado y mejorado la tecnología para la producción de células mesenquimales en biorreactores cerrados de tanque agitado, y favorecer su transferencia hacia una aplicación clínica alogénica, en un contexto de normas de correcta fabricación.
Las células estromales mesenquimales humanas derivadas de la gelatina de Wharton del cordón umbilical (WJ-MSCs) se están perfilando como un material con gran potencial para el tratamiento de trastornos musculoesqueléticos, trastornos inmunitarios y otras enfermedades degenerativas. Estas células se producen tradicionalmente mediante sistemas de cultivo eficaces para tratamientos de dosis única, pero este enfoque no es adecuado para la fabricación a mayor escala. Su traslación clínica requiere bioprocesos robustos, escalables, automatizados y alineados con buenas prácticas de fabricación (GMP), capaces de producir las elevadas cantidades celulares para el uso terapéutico.
Para responder a estas necesidades, el Dr. Víctor García Gragera ha llevado a cabo su tesis doctoral en IQS bajo el título Bioprocess Engineering and Microcarrier Technology for Mesenchymal Stromal Cell Production, dirigida por el Dr. Martí Lecina Veciana, del Grupo de Ingeniería de Materiales – GEMAT de IQS, y por el Dr. Joaquim Vives, jefe del grupo de investigación BACT (Bioprocessing for Advanced Cell Therapies) del BST – Banc de Sang i Teixits.
El objetivo de la tesis ha sido desarrollar y mejorar la tecnología para la producción de células mesenquimales (MSCs) en biorreactores cerrados de tanque agitado (STRs) y favorecer su transferencia hacia una aplicación clínica alogénica, siempre teniendo en mente la translación de la tecnología en un contexto de normas de correcta fabricación.
Fabricación de MSCs en biorreactores cerrados
En primer lugar, el Dr. García Gragera ha desarrollado un proceso de expansión de células WJ-MSCs libre de sérum y componentes no humanas (XSF de su nombre en inglés xeno- and serum-free), utilizando biorreactores de tanque agitado (STRs) y ‘microcarriers’ (MCs), con el objetivo de facilitar el tránsito de SCM a XSFM. Gracias a esta primera aproximación, se consiguió identificar diversas limitaciones del proceso XSF comparado con el bioproceso que utiliza sérum, y se caracterizó el metabolismo y crecimiento celular, estableciendo la colonización a día 1 como parámetro crítico del proceso.
A continuación, se realizaron una serie de experimentos que permitieron establecer u n método de fabricación de MCs de dextrano solubles en función del pH. La validación de su degradabilidad y esterilización mediante radiaciones g dio muy buenos resultados, siendo posible la identificación de un espacio de diseño.
Optimización del proceso para su transferencia
La homogeneidad en los biorreactores resultó un factor susceptible para introducir infra- o sobreestimaciones en la monitorización y, por tanto, limitar la automatización del bioproceso. Para estudiar las variables que afectan a la mezcla en el biorreactor, se llevaron a cabo simulaciones de dinámica de fluidos computacionales (CFD) con el objetivo de, por un lado, confirmar los beneficios de las modificaciones introducidas en la geometría del vaso y en la mezcla, y también cuantificar el impacto de posibles cambios en la re-suspensión de partículas y en la homogeneidad del sistema. Esta parte de la investigación con la colaboración del Dr. Joaquín Menacho y la Dra. Ibuki Kusano del Departamento de Ingeniería Industrial de IQS.
Finalmente, se integraron todos los datos obtenidos para mejorar y optimizar el bioproceso de obtención de las MCs. Las comparaciones entre los cultivos 2D y en STR permitieron describir las diferencias entre los medios utilizados y sus posibles limitaciones. Una comprensión más profunda de la colonización de las WJ-MSCs sobre MCs facilitó la definición de un protocolo optimizado para su producción en estos biorreactores. Así mismo, se obtuvieron nuevos conocimientos sobre el impacto del oxígeno disuelto, la albúmina y la carga de MCs en el proceso.
En conclusión, la plataforma de expansión diseñada en esta tesis, cerrada, escalable y libre de xeno y componentes no humanos (XSF), ha mejorado la productividad de la fabricación de WJ-MSCs, alcanzando un incremento del 60% en la colonización en el día 1, a la vez que se ha minimizado el estrés hidrodinámico y se ha asegurado una mezcla homogénea. En un completo trabajo de ingeniería de bioprocesos y ciencia de materiales al servicio de las terapias avanzadas, la tesis del Dr. García Gragera abre así la puerta a hacer las terapias basadas en WJ-MSCs más accesibles y es punto de partida para otros bioprocesos con células adherentes.
“Entender y controlar el bioproceso para la expansión de células mesenquimales nos permitirá pasar del laboratorio a clínica con éxito, asegurando la dosis y la calidad suficiente para enfermos con patologías complejas”, destaca del Dr. Joaquim Vives.
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Victor Garcia-Gragera et al, Identification of critical process parameters for expansion of clinical grade human Wharton’s jelly-derived mesenchymal stromal cells in stirred-tank bioreactors, Biotechnology Journal, 2024, 19, Issue 2, 2300381
Esta tesis recibió una ayuda del programa predoctoral AGAUR-FI ayudas Joan Oró de del Departament de Recerca i Universitats de la Generalitat de Catalunya y del Fondo Europeo Social Plus.
Esta investigación está enmarcada dentro del Consorcio CERTERA para el desarrollo y amplificación de las capacidades estatales en materia de terapias avanzadas
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