A terapia celular é um ramo da medicina que tem despertado cada vez mais atenção devido às aplicabilidades da tecnologia no tratamento de variadas doenças.
A terapia celular pode utilizar vários tipos de células entre elas células-tronco indiferenciadas com capacidade de autorrenovação e de se diferenciarem em células maduras. No entanto, existem barreiras a serem superadas para a utilização desse tipo de abordagem, especialmente quanto à capacidade de geração dessas células em larga escala.
A quantidade de células utilizadas na terapia celular é um desafio!
Para algumas aplicações, muitas vezes é necessário um alto número de células, o que representa um desafio para o cultivo celular convencional.
Diversas doenças são candidatas para a utilização da terapia celular, como a esclerose lateral amiotrófica (ELA). No entanto, esse tipo de patologia exige uma quantidade celular enorme, da ordem de 1 milhão de células/kg do paciente. Outro exemplo que demanda uma quantidade significativa de células é o enxerto de cardiomiócitos (por meio de células-tronco) para a regeneração de tecido cardíaco lesionado em vítimas de infarto. Nesse tipo de aplicação, podem ser necessárias bilhões de células!
Esses números extremamente elevados acabam inviabilizando o processo convencional de cultivo celular. Nesse tipo de cultivo, há uma demanda de trabalho manual muito grande do pesquisador, além de ser um processo difícil de escalar. Além disso, a variabilidade existente entre os doadores, contaminações microbiológicas do cultivo e potencial tumorigênico destas células também são desafios a serem superados.
Por isso, processos para aperfeiçoar a produção celular em larga escala foram desenvolvidos, onde diversos fatores podem ser totalmente controlados. Assim, é possível garantir as boas práticas na produção, a segurança do produto final e também cumprir as diretrizes regulatórias dos órgãos competentes (FDA, ANVISA).
Ainda que todos esses obstáculos sejam superados, é necessário pontuar que multiplicar e diferenciar células-tronco sob condições controladas continua sendo um grande desafio técnico. A cinética complexa dessas células, a natureza transitória das subpopulações de interesse e as múltiplas interações entre parâmetros da cultura celular, como a concentração de fatores de crescimento e o oxigênio, por exemplo, constituem variáveis que complicam ainda mais o processo.
Cultivo celular em biorreatores
Para aperfeiçoar e ganhar escala no cultivo celular, equipamentos chamados de biorreatores foram desenvolvidos. Os biorreatores são dispositivos que permitem o monitoramento e controle das condições de cultivo necessárias para uma expansão celular eficiente e reprodutível.
As vantagens de se utilizar um sistema como esse são muitas. Nestes dispositivos, o cultivo celular é feito em um sistema fechado, o que minimiza a chance de contaminação e traz mais segurança ao processo. As culturas de células são muito suscetíveis à contaminação biológica. Um esporo bacteriano ou célula bacteriana vegetativa é o suficiente para o crescimento excessivo em uma cultura de células animais.
Além disso, os biorreatores são projetados para expansão em grandes escalas, ou seja, um único biorreator possibilita uma expansão celular numericamente muito superior quando comparado a um processo manual.
Outro fator importante é a redução de custos de todo o bioprocesso. Com os biorreatores, o gasto monetário com operadores, meios de cultura e outros reagentes e a limpeza do ambiente diminuem consideravelmente. Por fim, esse tipo de equipamento permite o monitoramento e controle em tempo real de parâmetros importantes da cultura celular, maximizando a expansão e permitindo que o processo seja reprodutível.
Tipos de biorreatores
Existe uma gama variada de biorreatores disponíveis no mercado que atendem praticamente a qualquer requisito de escala e tipo celular. Atualmente, os biorreatores mais modernos permitem também um ajuste fino de parâmetros de acordo com o tipo de cultura celular, o que permite uma ampliação ainda maior das aplicações desse tipo de equipamento.
As categorias de biorreatores incluem os tanques agitados, leitos fixos, plataformas de balanço e sistemas de fibra oca. Essas categorias diferem basicamente quanto à forma do dispositivo e nos métodos de agitação dos fluidos.
Um dos principais fatores que influenciam a escolha de biorreatores para terapias celulares é a dependência da ancoragem das células. Células que não precisam se aderir, são geralmente cultivadas em meio líquido de suspensão. Nesse caso, os biorreatores de tanque agitado e plataforma de balanço são mais frequentemente utilizados.
Já para células aderentes, que precisam de uma superfície para se fixar e multiplicar, o desafio se torna um pouco maior. Nesse tipo de cultivo, foram desenvolvidas tecnologias que incorporaram biomateriais aos biorreatores para propiciar a adesão e a expansão destes tipos celulares. Para estas culturas, sistemas de fibra oca ou leitos fixos são mais indicados. Por exemplo, células aderentes, como células-tronco mesenquimais derivadas da medula óssea, podem ser cultivadas em microesferas revestidas de proteína (biomaterial presente em biorreatores de leito fixo).
É importante destacar que os critérios para selecionar os biorreatores devem incluir as condições de cultura necessárias para as células de interesse, simplicidade, escalabilidade, demanda de material e custo. Em última análise, o biorreator mais simples que pode fornecer as necessidades do processo, bem como a qualidade da célula, geralmente é a melhor escolha.
Diversos parâmetros controlados em único equipamento!
Para que o cultivo celular seja eficiente, é preciso controlar com rigidez a temperatura, o pH e os níveis de gases, como O2, N2 e CO2, além de disponibilizar substâncias no meio de cultivo, como fatores de crescimento. E os biorreatores conseguem controlar todas essas variáveis de forma automatizada e com uma acurácia muito superior aos métodos convencionais.
Em geral, os níveis de oxigênio e pH são medidos por sensores integrados em uma bolsa ou garrafa onde está o meio de cultivo. Estes dados são transmitidos para um software acoplado ao equipamento, que irá manter o ambiente da cultura em um setup ótimo pré-definido. Ou seja, este mesmo software é capaz de controlar as concentrações de gases fundamentais para a cultura celular.
A maioria dos biorreatores usa manipulações de sistema fechado e filtragem de gás para evitar contaminação microbiana e contaminação cruzada. Essas manipulações de sistema fechado também minimizam os riscos de segurança da exposição do operador ao fluxo do produto.
Além disso, os equipamentos possuem sensores de biomassa, que fornecem dados em tempo real sobre a concentração das células no meio. Assim é possível prever, com segurança, o melhor momento para a colheita celular, de modo que se obtenham quantidades suficientes de células para a aplicação desejada.
Em conclusão, o uso de biorreatores representa uma revolução e viabiliza a utilização da terapia celular para o tratamento de diversas doenças. Estes equipamentos permitem a produção robusta, escalável, sustentável e de alta qualidade de células para atender às necessidades do paciente ao longo do seu tratamento.
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