Berriak - Biofarmaziako hartzidura prozesuan disolbatutako oxigeno mailen monitorizazioa

Zer da oxigeno disolbatua?

Oxigeno disolbatuak (DO) oxigeno molekularra (O_₂) uretan disolbatuta dagoena. Ur molekuletan dauden oxigeno atomoetatik desberdina da (H_₂O), uretan oxigeno molekula independenteen moduan existitzen baita, atmosferatik sortua edo uretako landareek fotosintesiaren bidez sortua. DO kontzentrazioa hainbat faktoreren eraginpean dago, besteak beste, tenperaturak, gazitasunak, ur-fluxuak eta jarduera biologikoek. Horrela, uretako inguruneen osasun- eta kutsadura-egoera ebaluatzeko adierazle kritikoa da.

Oxigeno disolbatuak funtsezko zeregina du metabolismo mikrobianoa sustatzeko, zelulen arnasketa, hazkuntza eta produktu metabolikoen biosintesia eraginez. Hala ere, oxigeno disolbatuaren maila altuagoak ez dira beti onuragarriak izaten. Oxigeno gehiegizkoak metatutako produktuen metabolismo gehiago ekar dezake eta erreakzio toxikoak sor ditzake. DO maila optimoak aldatu egiten dira bakterio espezieen artean. Adibidez, penizilinaren biosintesian, DO normalean % 30eko aire saturazioan mantentzen da gutxi gorabehera. DO zerora jaisten bada eta maila horretan bost minutuz mantentzen bada, produktuen eraketa nabarmen kaltetu daiteke. Egoera hau 20 minutuz irauten badu, kalte itzulezinak gerta daitezke.

Gaur egun, gehien erabiltzen diren DO sentsoreek airearen saturazio erlatiboa baino ezin dute neurtu, oxigeno disolbatuaren kontzentrazio absolutua baino. Kultura-ingurunearen esterilizazioa egin ondoren, aireztapena eta irabiatzea egiten dira sentsorearen irakurketa egonkortu arte, eta une horretan balioa % 100eko airearen saturaziora ezartzen da. Hartzidura-prozesuan zehar ondorengo neurketak erreferentzia horretan oinarritzen dira. DO balio absolutuak ezin dira zehaztu sentsore estandarrak erabiliz eta teknika aurreratuagoak behar dituzte, hala nola polarografia. Hala ere, airearen saturazio-neurketak nahikoak dira, oro har, hartzidura-prozesuak monitorizatu eta kontrolatzeko.

Hartzigailu baten barruan, DO mailak alda daitezke eskualde ezberdinetan. Puntu batean irakurketa egonkorra lortu arren, gorabeherak gerta daitezke zenbait hazkuntza-ingurunetan. Hartzigailu handiagoek DO mailetan aldakuntza espazial handiagoak erakusten dituzte, eta horrek nabarmen eragin dezake mikrobioen hazkuntzan eta produktibitatean. Froga esperimentalek erakutsi dute, batez besteko DO maila % 30ekoa izan daitekeen arren, hartziduraren errendimendua baldintza aldakorretan baldintza egonkorretan baino nabarmen txikiagoa dela. Beraz, hartzigailuen eskala handitzean —antzekotasun geometriko eta potentzialaren inguruko kontuez harago—, DO aldakuntza espazialak minimizatzea ikerketa-helburu nagusia da oraindik.

Zergatik da ezinbestekoa oxigeno disolbatuaren monitorizazioa hartzidura biofarmazeutikoan?

1. Mikroorganismoen edo zelulen hazkuntza-ingurune optimoa mantentzeko
Hartzidura industrialak normalean mikroorganismo aerobikoak erabiltzen ditu, hala nola Escherichia coli eta legamia, edo ugaztunen zelulak, hala nola Txinako Hamster Obulutegiko (CHO) zelulak. Zelula hauek "langile" gisa funtzionatzen dute hartzidura sisteman, oxigenoa behar dute arnasketa eta jarduera metabolikorako. Oxigenoak azken elektroien hartzaile gisa balio du arnasketa aerobikoan, ATP moduan energia ekoiztea ahalbidetuz. Oxigeno hornidura nahikorik ezak zelulen itotzea, hazkuntza geldiaraztea edo baita zelulen heriotza ere ekar dezake, eta azkenean hartziduraren porrota dakar. DO mailak kontrolatzeak oxigeno kontzentrazioak zelulen hazkuntza eta bideragarritasun iraunkorrerako tarte optimoan mantentzen direla ziurtatzen du.

2. Helburuko produktuen sintesi eraginkorra bermatzea
Hartzidura biofarmazeutikoaren helburua ez da zelulen ugalketa sustatzea soilik, baizik eta nahi diren produktuen sintesi eraginkorra erraztea, hala nola intsulina, antigorputz monoklonalak, txertoak eta entzimak. Bide biosintetiko hauek askotan energia-sarrera handia behar dute, batez ere arnasketa aerobikotik eratorria. Gainera, produktuen sintesian parte hartzen duten sistema entzimatiko asko zuzenean oxigenoaren menpe daude. Oxigeno gabeziak bide horien eraginkortasuna eten edo murriztu dezake.

Gainera, DO mailak seinale erregulatzaile gisa jokatzen dute. DO kontzentrazio gehiegi altuek zein baxuek honako hauek eragin ditzakete:
- Zelulen metabolismo-bideak aldatzea, adibidez, arnasketa aerobikotik hartzidura anaerobiko ez hain eraginkorrago batera aldatzea.
- Zelulen estres erantzunak abiarazi, nahi ez diren azpiproduktuen ekoizpena eraginez.
- Proteina exogenoen adierazpen-mailetan eragina izan.

Hartziduraren etapa desberdinetan DO mailak zehaztasunez kontrolatuz, zelulen metabolismoa produktuaren sintesi maximorantz gidatzea posible da, horrela dentsitate handiko eta errendimendu handiko hartzidura lortuz.

Sarrera Biofarmazeutikoetarako Uraren Fluxu-diagramaren

3. Oxigeno gabezia edo gehiegizko oxigenoa saihesteko
Oxigeno gabeziak (hipoxiak) ondorio larriak izan ditzake:
- Zelulen hazkuntza eta produktuen sintesia gelditzen dira.
Metabolismoa bide anaerobioetara aldatzen da, eta horren ondorioz azido organikoak metatzen dira, hala nola azido laktikoa eta azido azetikoa, eta hauek hazkuntza-ingurunearen pHa jaisten dute eta zelulak pozoitu ditzakete.
- Hipoxia luzeak kalte itzulezinak eragin ditzake, oxigeno-hornidura berreskuratu ondoren ere suspertzea osatu gabea izanik.

Oxigeno gehiegizkoak (gainsaturazioak) arriskuak ere baditu:
- Estres oxidatiboa eta oxigeno erreaktiboen espezieen (ROS) eraketa eragin dezake, eta horrek zelula-mintzak eta biomolekulak kaltetzen ditu.
- Gehiegizko aireztapenak eta astinduak energia-kontsumoa eta funtzionamendu-kostuak handitzen dituzte, eta horrek baliabideen xahuketa beharrezkoa dakar.

4. Denbora errealeko monitorizazio eta feedback kontrolerako parametro kritiko gisa

DO denbora errealeko, jarraitua eta osoa den parametro bat da, hartzidura-sistemaren barne-baldintzak islatzen dituena. DO mailen aldaketek hainbat egoera fisiologiko eta operatibo adieraz ditzakete modu sentikorrean:
Zelulen hazkunde azkarrak oxigeno-kontsumoa handitzen du, eta horrek DO mailak jaistea eragiten du.
- Substratuaren agortzeak edo inhibizioak metabolismoa moteltzen du, oxigeno-kontsumoa murriztuz eta DO mailak igoaraziz.
- Mikroorganismo arrotzen kutsadurak oxigeno-kontsumoaren eredua aldatzen du, DO gorabehera anormalak eraginez eta abisu-seinale goiztiar gisa balioz.
- Ekipamenduen matxurak, hala nola irabiagailuaren matxurak, aireztapen-hodien blokeoak edo iragazkiaren zikinkeriak, DOaren portaera anormala ere eragin dezakete.

DO monitorizazioa denbora errealean feedback kontrol sistema automatizatu batean integratuz, DO mailen erregulazio zehatza lor daiteke parametro hauen doikuntza dinamikoen bidez:
- Irabiatzeko abiadura: Abiadura handitzeak gas-likido kontaktua hobetzen du burbuilak hautsiz, eta horrela oxigenoaren transferentziaren eraginkortasuna hobetzen du. Hau da metodorik erabiliena eta eraginkorrena.
- Aireztapen-tasa: Sarrerako gasaren emaria edo osaera doitzea (adibidez, airearen edo oxigeno puruaren proportzioa handitzea).
- Tankearen presioa: Presioa igotzeak oxigenoaren presio partziala handitzen du, eta horrela disolbagarritasuna hobetzen du.
- Tenperatura: Tenperatura jaisteak oxigenoaren disolbagarritasuna handitzen du hazkuntza-ingurunean.

BOQU-en produktuen gomendioak hartzidura biologikoaren online monitorizaziorako: