基于微流體的桌面生物反應(yīng)器生產(chǎn)效率為傳統(tǒng)生物反應(yīng)器七十倍

生物反應(yīng)器

“用鉛筆繪圖需要一筆筆畫出每一個(gè)線條，直至圖形完成。而印章只要印一次，想要的圖形就出現(xiàn)了。”

生物制造是可持續(xù)獲取材料的最有效方式，通過(guò)生物制造生產(chǎn)疫苗或者其他藥物對(duì)于滿足社會(huì)的治療需求和遏制健康威脅更是至關(guān)重要。

然而，開發(fā)生物產(chǎn)品的意愿與市場(chǎng)上現(xiàn)有工具的能力之間并不能完全匹配。目前，生物質(zhì)生產(chǎn)方法效率低下，若要真正實(shí)現(xiàn)使用替代資源來(lái)生產(chǎn)人類需要的生物質(zhì)，生產(chǎn)生物質(zhì)的裝機(jī)容量應(yīng)增加至少數(shù)百倍。

通過(guò)不斷升級(jí)工藝研發(fā)與生物制造的技術(shù)平臺(tái)，能夠極大縮短生物工藝研發(fā)和生產(chǎn)的周期，優(yōu)化生物制造過(guò)程。實(shí)現(xiàn)快速研發(fā)的核心設(shè)備是新型生物反應(yīng)器。

生物反應(yīng)器是指任何提供生物化學(xué)反應(yīng)的適當(dāng)環(huán)境或工程設(shè)備。通常是指利用酶或生物體使裝置具有模擬生物的功能，可在細(xì)胞外進(jìn)行生化反應(yīng)，在模擬的過(guò)程中既可進(jìn)行有氧反應(yīng)也能進(jìn)行無(wú)氧反應(yīng)。在組織工程、生化工程、醫(yī)藥生產(chǎn)等應(yīng)用上是相當(dāng)重要的裝置。

目前，應(yīng)用3D打印設(shè)計(jì)復(fù)雜的生物反應(yīng)器成為升級(jí)生物制造平臺(tái)的有效手段之一。

在學(xué)術(shù)界，麻省理工學(xué)院和印度馬德拉斯理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)可重復(fù)使用且易于調(diào)整的“微流控生物反應(yīng)器”；克里特大學(xué)的研究人員通過(guò)3D打印獲得用于DNA復(fù)制目的的生物反應(yīng)器；康奈爾大學(xué)的研究人員則通過(guò)3D打印了一個(gè)能夠制造合成腸子的微觀生物反應(yīng)器。

產(chǎn)業(yè)界則稍顯平緩。近日，一家阿根廷生物技術(shù)公司St?mm Biotech剛剛完成了1700萬(wàn)美元的A輪融資，并宣布該資金將用于開發(fā)其下一代3D打印生物反應(yīng)器，為商業(yè)化做準(zhǔn)備。

即插即用的桌面生物反應(yīng)器

傳統(tǒng)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)使用巨大的消毒罐作為生物反應(yīng)器，罐內(nèi)裝有培養(yǎng)基，用來(lái)培養(yǎng)某種類型的細(xì)胞或微生物。生產(chǎn)過(guò)程中，需要使用電動(dòng)儀器進(jìn)行攪拌，使用冷卻劑保持所需溫度，并提供適量的氧氣以支持細(xì)胞培養(yǎng)物生長(zhǎng)。

2014年，Yuyo Llamazares Vegh和Federico D’Alvia Vegh聯(lián)合創(chuàng)立了St?mm Biotech，一直以來(lái)，公司的愿景是使生物制造變得簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展和可重復(fù)。兩位創(chuàng)始人均畢業(yè)于阿根廷頂尖學(xué)府，擁有包括微生物學(xué)、合成生物學(xué)、納米技術(shù)和微流體等多學(xué)科背景。

隨著現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)的加速形成與擴(kuò)展，一個(gè)大規(guī)模的生物制造產(chǎn)業(yè)即將到來(lái)。生產(chǎn)效率低下是生物技術(shù)行業(yè)中“擴(kuò)大規(guī)模”的主要限制，也是St?mm Biotech想要解決的問(wèn)題。

所謂“工欲善其事，必先利其器”，基于以上原因，St?mm Biotech著手開發(fā)基于微流體的桌面生物反應(yīng)器。

生物反應(yīng)器

St?mm計(jì)劃將整個(gè)生物反應(yīng)器縮小為一體化、即插即用的桌面單元。該生物反應(yīng)器由三個(gè)微流控設(shè)備組成，包括Cell line-on-a-chip、Bioreactor-on-achip和The Bubble-Free-Bioreactor。

Cell line-on-a-chip提供持續(xù)的可用細(xì)胞流來(lái)啟動(dòng)反應(yīng)過(guò)程；Bioreactor-ona-chip可以在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)培養(yǎng)基、pH值、溶解氧和細(xì)胞密度等參數(shù)；The Bubble-Free-Bioreactor是一個(gè)用多孔生物材料打印的無(wú)氣泡微生物反應(yīng)器。

其中，無(wú)氣泡微生物反應(yīng)器需要具備多個(gè)微通道，這些微通道使細(xì)胞處于連續(xù)的、單向的、層狀的流動(dòng)狀態(tài)，可以讓細(xì)胞、培養(yǎng)基和氣體之間完美混合，始終處于最佳狀態(tài)，不斷繁殖。

具備多個(gè)微通道的無(wú)氣泡微生物反應(yīng)器工藝復(fù)雜，需要借助3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，然而市場(chǎng)上暫無(wú)匹配的生產(chǎn)設(shè)備。綜合考慮需求和自我研發(fā)能力后，St?mm Biotech決定自己動(dòng)手研發(fā)并成功推出3D打印機(jī)Sclereid。

3D打印獲得的無(wú)氣泡微生物反應(yīng)器示例

Sclereid 3D打印機(jī)采用專有的“磚印技術(shù)”，利用了同時(shí)打印數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，兼具激光打印機(jī)的精度和多功能性。Sclereid配備了29升的打印量，能夠每秒打印5.9億個(gè)大小為6微米的像素，每層的像素?cái)?shù)高達(dá)9.83億。能夠在不影響精度尺寸的情況下提供大的表面區(qū)域。

同時(shí)，St?mm還開發(fā)了與Sclereid 3D打印機(jī)相匹配的設(shè)計(jì)軟件C?ster。

C?ster使能夠?qū)ι锓磻?yīng)器中大規(guī)模的微血管系統(tǒng)進(jìn)行可視化、設(shè)計(jì)和渲染，然后生成圖像（幾乎任何分辨率的），將信息發(fā)送至Sclereid 3D打印機(jī)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)打印，或建立一個(gè)圖像庫(kù)以便以后打印。公司表示，C?ster可以模擬出一個(gè)總?cè)莘e為1600萬(wàn)升的微血管系統(tǒng)，相當(dāng)于生物制藥的全部裝機(jī)容量。

有了Sclereid 3D打印機(jī)，公司能夠根據(jù)培養(yǎng)活細(xì)胞或其成分（例如細(xì)菌、酶）不同“即插即用”打印所需的生物反應(yīng)器。這樣一來(lái)，桌面生物反應(yīng)器制作完成。

據(jù)公司官網(wǎng)顯示，與傳統(tǒng)生物反應(yīng)器相比，它的外型縮小了200倍，處理量在100倍～400倍之間，生產(chǎn)效率將達(dá)到傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的70倍。該平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的連續(xù)和自主生產(chǎn)。

但是目前與大多數(shù)大型生物反應(yīng)器相比，它的運(yùn)行規(guī)模仍然較小。St?mm的生物反應(yīng)器可以達(dá)到約30升的產(chǎn)量，而不是工業(yè)規(guī)模上常見的數(shù)千升。不過(guò)，公司確實(shí)聲稱其核心概念可以擴(kuò)展到大約5000升。

盡管該技術(shù)具有潛力，但St?mm仍處于商業(yè)化的早期階段。St?mm Biotech已經(jīng)完成了用于微細(xì)加工、細(xì)胞系開發(fā)、生物工藝優(yōu)化和中試規(guī)模認(rèn)證的生物設(shè)施搭建，在此次融資的支持下，將繼續(xù)開發(fā)一站式解決方案，使抗體和細(xì)胞療法的生物制藥管道從發(fā)現(xiàn)到商業(yè)化成為可能。

目前它正在與一家專注于生產(chǎn)生物仿制藥的歐洲生物制藥公司合作，并表示它有五個(gè)潛在的新合作伙伴正在籌備中。該公司計(jì)劃在2022年進(jìn)入“試點(diǎn)規(guī)?！?。

基于合成生物學(xué)的3D打印技術(shù)

3D打印可能是時(shí)下先進(jìn)制造技術(shù)中最熱門的話題。最開始，3D打印主要應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中制作產(chǎn)品原型，包括生活用品、飾品、服飾、武器，甚至是建筑，但近兩年它在許多其它領(lǐng)域取得進(jìn)展。

業(yè)內(nèi)人士表示，3D打印和合成生物學(xué)的結(jié)合是一種可持續(xù)的策略，可以制造以預(yù)編程方式運(yùn)行的生物對(duì)象和系統(tǒng)。許多微生物已被基因工程改造為細(xì)胞工廠，用于使用發(fā)酵進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的生物合成，而使用這些細(xì)胞對(duì)活體材料進(jìn)行3D打印可能會(huì)導(dǎo)致生物制造的新范式。

2021年8月，Humane Genomics宣布將基于合成生物學(xué)開發(fā)能夠精確靶向癌細(xì)胞的病毒。不是編輯，而是可以從“零”開始設(shè)計(jì)病毒。

公司首席執(zhí)行官表示：“我們可以根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的A、G、C、T堿基信息，進(jìn)行3D打印或合成DNA片段?！?/p>

使用CRISPR基因編輯來(lái)工程化自然產(chǎn)生的病毒可能需要數(shù)周和數(shù)千美元，與CRISPR工程化病毒的方法不同，這一創(chuàng)新平臺(tái)可以在一周內(nèi)制造出新的病毒，成本只需要幾百美元。該公司正在開發(fā)其第一個(gè)溶瘤病毒療法，用于骨癌、肝癌、小細(xì)胞肺癌和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。

2021年11月發(fā)表在《自然·通訊》期刊上的一篇研究中，美國(guó)東北大學(xué)合成生物學(xué)家、論文作者奈爾·喬希表示，與混凝土或塑料澆筑的結(jié)構(gòu)不同，理想狀態(tài)下，由微生物墨水打印的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)環(huán)境因素并能再生。這種墨水可能會(huì)被用作一種自我再生的物質(zhì)，以幫助在其他行星以及地球上建造居所。

這種微生物墨水完全由經(jīng)過(guò)基因改造的大腸桿菌產(chǎn)生。從細(xì)菌培養(yǎng)物中生長(zhǎng)出的墨水，也是由活的細(xì)菌細(xì)胞組成，收集到的墨水像明膠一樣堅(jiān)固，可以接入3D打印機(jī)并打印成活的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不會(huì)進(jìn)一步生長(zhǎng)會(huì)保持被打印的樣子。目前，相關(guān)材料還在開發(fā)中。