アプリオリを定義するためのモデリング方法論的懸濁液のバイオリアクターアプリケーションの流体力学的誘導性多能性幹細胞培養

3次元の動的懸濁液は、広範囲のバイオプロセスのための効果的な細胞培養法になりつつあり、この目的のために増加しているバイオリアクターが増加しています。これらのデバイス内で確立する複雑な流体力学は、バイオプロセスの結果と効率に影響し、通常、作業パラメーターを適切に設定するために高価なin vitro試験と誤差の実験が必要です。ここでは、動作状態を特徴付ける複雑な流体力学のためにテストケースとして選択された動的懸濁液バイオリアクターの流体力学的作業パラメーターを先験的に定義する方法論を提案します。計算と分析のアプローチの組み合わせが適用され、アプリオリ固有の作業パラメーターを定義するための運用ガイドライングラフを生成しました。詳細には、パルスフローレジームの下で43のシミュレーションを実行して、異なる動作条件、つまり培養媒体流量とそのデューティサイクル、培養粒子径、および初期粒子懸濁液量に応じて、デバイス内の移流輸送を特徴付けました。次に、運用ガイドライングラフを使用して、ヒト誘導多能性幹細胞（hipsc）凝集体をバイオリアクター内で24時間培養するために、特定の流体力学的作業パラメーターを設定しました。in vitroの所見は、選択されたパルス流領域では、沈降が回避され、股関節の凝集の循環性と生存率が保存され、培養不均一性が減少し、先験的な方法の適切性を確認することが示されました。この方法論には、シリコに基づいたアプリオリ知識を提供することにより、コストを制限し、文化バイオプロセスを最適化するのに役立つアプリオリの知識を提供することにより、実験的研究をサポートするために、他の動的懸濁液デバイスに適応できる可能性があります。

Three-dimensional dynamic suspension is becoming an effective cell culture method for a wide range of bioprocesses, with an increasing number of bioreactors proposed for this purpose. The complex hydrodynamics establishing within these devices affects bioprocess outcomes and efficiency, and usually expensive in vitro trial-and-error experiments are needed to properly set the working parameters. Here we propose a methodology to define a priori the hydrodynamic working parameters of a dynamic suspension bioreactor, selected as a test case because of the complex hydrodynamics characterizing its operating condition. A combination of computational and analytical approaches was applied to generate operational guideline graphs for defining a priori specific working parameters. In detail, 43 simulations were performed under pulsed flow regime to characterize advective transport within the device depending on different operative conditions, i.e., culture medium flow rate and its duty cycle, cultured particle diameter, and initial particle suspension volume. The operational guideline graphs were then used to set specific hydrodynamic working parameters for an in vitro proof-of-principle test, where human induced pluripotent stem cell (hiPSC) aggregates were cultured for 24 h within the bioreactor. The in vitro findings showed that, under the selected pulsed flow regime, sedimentation was avoided, hiPSC aggregate circularity and viability were preserved, and culture heterogeneity was reduced, thus confirming the appropriateness of the a priori method. This methodology has the potential to be adaptable to other dynamic suspension devices to support experimental studies by providing in silico-based a priori knowledge, useful to limit costs and to optimize culture bioprocesses.