System zur Automatisierung und Überwachung der iterativen Kultivierung mesenchymaler Stammzellen für Therapien der regenerativen Medizin

„Die Verwendung von CompactRIO-Hardware und LabVIEW-Software ermöglicht die direkte Übertragbarkeit unserer Softwarearchitektur und Kanalanforderungen auf das Single-Board-RIO-System. Dadurch lässt sich die Steuerung in einem kompakteren und geeigneteren System für die Herstellung und den Vertrieb des Produkts direkt und ohne signifikante Erhöhung von Entwicklungszeiten und -kosten implementieren.“ – Gonzalo de Aranda Izuzquiza, Aglaris Cell SL 

die Herausforderung

Automatisieren Sie die Produktion großer Mengen mesenchymaler Stammzellen durch den Einsatz iterativer Zellkulturprozesse und überwachen Sie die Parameter, die die Qualität und Integrität des Zellmaterials für seine anschließende Implantation in Patienten definieren, die sich Therapien mit regenerativer Medizin unterziehen.

die Lösung

Führen Sie dank der Modularität der Produkte der C-Serie (analoge und digitale E/A, serielle Schnittstellen usw.) . ) zusammen mit der Robustheit des CompactRIO-Systems (NI cRIO-9066) unter Verwendung der Software LabVIEW Real Time. Aufgrund des Aufkommens und der hoffnungsvollen Verbreitung von Therapien der regenerativen Medizin bei der Behandlung von degenerativen Erkrankungen, Krebs oder der Rekonstruktion geschädigter Gewebe und biologischer Organe entsteht die Notwendigkeit, große Mengen an Zellen zu gewinnen, die als Rohstoffe in Arzneimitteln verwendet werden können. Deshalb müssen Zellproduktionsverfahren konzipiert werden, die uns nicht nur große Mengen an Zellmaterial liefern können, sondern auch garantieren, dass das Produkt die hohen Qualitätsstandards erfüllt, die für die spätere Verwendung von Zellen im Patienten notwendig sind. Bei Aglaris Cell wurde ein automatischer Bioreaktor für die Kultivierung von mesenchymalen Stammzellen (Abbildung 1) entwickelt, Zellen, die eine Vielzahl von biologischen Geweben von großer Bedeutung für den menschlichen Organismus darstellen können, wie beispielsweise Knorpel- oder Herz-Kreislauf-Gewebe. Das Design eines iterativen Kulturprozesses und die Verwendung von Mikropartikeln als Kulturoberfläche ermöglichen die Optimierung der Zellproduktion und die Gewinnung großer Volumina. Eine Raumoptimierung ist notwendig, da es sich um ein Gerät handelt, das für den Einsatz in Krankenhauslabors und Forschungszentren bestimmt ist und deutlich kleinere Abmessungen als große Industrieräume aufweist. Um das Zellprodukt in der gewünschten Qualität zu erhalten, muss das System geschlossen, steril und überwacht werden. Die Kultur muss mit einem Kulturmedium versorgt werden, das die optimalen Bedingungen für ihre Entwicklung erfüllt, wie z. B. das Vorhandensein bestimmter Makromoleküle oder Gase in Lösung. Diese Parameter werden von verschiedenen Sensoren überwacht, und ihr Messwert bestimmt, ob das verwendete Medium für die Kultur geeignet ist oder im Gegenteil verworfen und der Kultur neu zugeführt werden muss. Die Ausrüstung besteht aus drei grundlegenden miteinander verbundenen Betriebsmodulen:

Medienkonditionierungsmodul

Die Kulturmediumtanks werden bei 4 °C mit den für den Prozess erforderlichen Bedingungen, wie z. B. der Konzentration gelöster Gase, gelagert. Dieses Medium ist während des gesamten Prozesses verfügbar, da die Temperatur es ihm ermöglicht, seine Eigenschaften zu bewahren.

Anbaumodul

Neben der Suche nach der Verbrauchskartusche, in der die Kultur durchgeführt wird, verfügt dieses Modul über Aktuatoren, die Kulturbedingungen wie Temperatur oder Bewegung regulieren. Darüber hinaus enthält die Verbrauchskartusche Sensoren, ebenfalls Verbrauchsmaterialien, die physikalisch-chemische Parameter der Kultur überwachen, wie beispielsweise den pH-Wert, die Konzentration von Glukose im Medium oder das Vorhandensein von gelöstem Sauerstoff.

Modul der Kontrolle

Steuern Sie die Aktion der verschiedenen Aktoren im System und das Lesen der Sensoren mit dem cRio-9066. Darüber hinaus dient es als Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem System über die Benutzerschnittstelle und verfügt über Aktoren, die hauptsächlich den Durchfluss von Flüssigkeiten und Gasen regulieren.

Steuerungshardware

Um eine präzise Steuerung und Überwachung durchzuführen und die für ein System für medizinische Zwecke erforderlichen Qualitätsvorschriften einzuhalten, wird Echtzeit-Hardware aus der compactRIO-Reihe (cRIO-9066) (Abbildung 2) mit den folgenden Modulen der C-Serie verwendet:

• NI 9421 (Digitaleingang): Positionierungs- und Binärzustandssensoren.

• NI 9472 (Digital Output): Zweizustands-Ventilsteuerung und Temperatursteuerung.

• NI 9203 (Analogeingang). Sensoren für Druck, Temperatur, Bestandteile des Kulturmediums.

• NI 9263 (Analogausgang): Perfusionsdurchflussregler.

• NI 9871 (serielle RS485-Ports): Controller und Durchflusssensoren, Motoren. Die Vielfalt der Module der C-Serie ermöglicht einen modularen Fortschritt bei Prototyping-Aufgaben ohne hohe Kostensteigerungen.

Software

Das Programm besteht aus zwei Echtzeitmodulen. Eines für die Datenerfassung und ein weiteres für Maßnahmen und Anbauroutinen. Das Datenerfassungsmodul sammelt regelmäßig Informationen von allen Sensoren, die die Systemparameter überwachen. Wenn ein Parameter seinen spezifischen Bereich verlässt, überträgt das Modul diese Information an das Aktivierungs- und Routinenmodul, das den erforderlichen Aktuatoren die Befehle erteilt, zu reagieren und dann den Kultivierungsprozess fortzusetzen. Außerdem kann der Benutzer über eine Benutzerschnittstelle mit dem Real Time Device (cRIO) kommunizieren. Die Verwendung der Software Lab-VIEW Real Time erleichtert die Programmierung des Systems in Übereinstimmung mit den strengen GMP-Qualitätsvorschriften, die medizinische Geräte erfüllen müssen. Es muss eine korrekte Rückverfolgbarkeit des Prozesses und der Daten sowie die vollständige Definition und Ausführung von Prioritäten während des gesamten Prozesses geben. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von CompactRIO-Hardware und LabVIEW-Software die direkte Übertragbarkeit unserer Softwarearchitektur und Kanalanforderungen auf das Single-Board-RIO-System. Dadurch kann die Steuerung in einem kompakteren und geeigneteren System für die Herstellung und den Vertrieb des Produkts direkt und ohne signifikante Erhöhung von Entwicklungszeiten und -kosten implementiert werden.