数字双胞胎帮助生物反应器生产个性化的、基于细胞的疗法

由Ansys Advantage Staff提供

虽然几家大型制药公司在不到一年的时间里研发和生产了大量COVID-19疫苗，取得了惊人的成果，但许多制药公司面临的挑战都是在较小的范围内存在的——涉及患有罕见疾病的单个患者或一小群患者。这种“个性化医疗”的方法已经吸引了很多公司Antleron在比利时鲁汶，重新定义生物反应器的概念，使用Ansys仿真解决方案和数字双胞胎来优化和定制细胞的生长以用于治疗目的。

Antleron联合创始人兼首席执行官简•施罗腾表示:“虽然我们仍在使用‘生物反应器’这个词，但我认为‘定制工厂’才是更好的描述。”“它看起来像一个小型化工厂，产出的最终产品可能只有1毫克，而不是大型制药厂的数千升。”

施罗腾在学术界工作了25年，试图制造活体植入物，并尝试组织工程，后于2014年创立了Antleron公司。作为一名工程师，他面临着将实验室工作转化为现实解决方案的学术局限性，他辞去了大学职位，创办了一家初创公司。经过深思熟虑，他和同事们决定将公司命名为鹿角龙(Antleron)，因为鹿角每年从零长到一米或更长，这是自然界中最令人印象深刻的再生生物过程之一。这个名字正符合他们的使命:“使生命疗法成为可能:把细胞变成个性化的疗法、组织和器官。”

来自Ansys启动程序的帮助

Schrooten对Ansys模拟产品并不陌生，他已经使用了大约25年，他认识到模拟对于工程和监测他心目中的生物反应器至关重要。但是，和大多数创业公司一样，创业初期的资金并不充足。所以，他联系了Ansys并了解了Ansys启动程序该公司为他提供了模拟软件，价格仅为标价的一小部分。但他看到的不仅仅是这个项目的经济价值。

Schrooten说:“即使我们可以支付完整的软件许可证，也不会像通过Ansys启动计划那样有帮助。”“关键是与Ansys专家一起探索软件，并获得他们关于如何最好地完成我们正在尝试的事情的反馈。该项目为我们两家公司提供了一个相互学习的框架，并发展了对我们双方都有利的牢固关系。通过与其他合作伙伴进行类似的合作，我们能够合并各种核心计算和实验技术的潜力，并将其整合起来，以实现创新的基于细胞的治疗制造解决方案的工程设计。”

使用Ansys解决方案，Antleron已经能够设计定制的生物反应器，将活细胞放置在生长和修饰的最佳环境中。他们使用质量设计、数字双胞胎、增材制造和其他工程技术来取得成功。

模拟生物反应器的复杂性

在网上快速搜索生物反应器的图片，你会发现一系列的容器、搅拌器、管道、阀门等等，它们与任何普通的化工厂相似，却很少揭示生物反应器复杂的内部工作原理。当你在等式中加入活细胞时，由于生物过程固有的复杂性和可变性，事情很快就会失控。

“单个细胞本身比我们正在研究的整个生物反应器要复杂得多，”Antleron的数字双胞胎和建模工作负责人汤米·赫克(Tommy Heck)说。“在细胞内，有许多信号通路，由各种分子组成，它们都受到细胞接收的营养物质和细胞所经历的机械条件的影响。这太复杂了，无法用一个简单的模型来描述。因为我们不知道到底发生了什么，所以最好用混合模拟方法来模拟这个过程。”

该过程从一个细胞源开始。这个来源可以是一个个体患者，他的细胞在生物反应器中被提取、培养和修饰，然后返回给患者，也可以是一个包含来自不同捐赠者的大量细胞的银行。这些细胞习惯于在人体提供的特定条件下生长(例如，温度、pH值和机械刚性)。然而，在体外实验中，细胞的环境通常像一个向空气开放的塑料培养皿，这不是最佳的。

Schrooten说:“将细胞置于它们能识别的更生理的环境中可以改善这种情况。”“关键在于定义环境。我们创造了一个三维，甚至是四维，因为时间很重要，我们监控和定制一个封闭的环境，以获得最佳效果。”

细胞不是粘在一个开放的培养皿的底部，也不是一个封闭的搅拌槽，细胞漂浮在液体悬浮介质中，同时挂在微珠上，生物反应器的受控封闭环境也可以充满高表面积的材料，给细胞一个更定制和可控的表面，供细胞生长。这种内部材料可以是高度多孔的结构，也可以是为优化流体流动和细胞生长条件而设计的更工程化的3D通道。

赫克说:“你通常可以用几何单元构建内部生物反应器结构。”“你可能会有一个重复的立方形状，或者可能有一些凸和凹的形状，有一些更大的通道来分布流体流动。Ansys流利能很好地预测流经这些复杂路径的气流。通过在设计、增材制造和实验的迭代循环中包含计算流体动力学(CFD)模拟，我们能够快速筛选和比较各种设计。这大大减少了开发生物反应器的时间和成本，同时优化了其性能。”

结合定制的生物反应器及其内部结构的目标是为细胞提供一个连接的表面，同时提供最佳的流动条件，并确保有效供应添加的葡萄糖和氧气营养物质，以滋养细胞并使其生长。但是在如此复杂的3D结构中插入流量计、热电偶和葡萄糖传感器是很困难的，因此无法测量生物反应器内部的局部条件。因此，Antleron开发了一种硅内方法，以适应混合建模的联合开发，其目标是通过结合使用机械、基于物理的模拟和基于数据的模拟方法，实现生物反应器的数字双胞胎。

基于数据和模拟的生物反应器数字孪生

Schrooten说:“一旦你设计了一个更优化的生物反应器，你就希望能够知道细胞培养过程中发生了什么，所以你必须监测和控制这个过程。”“但你不能把生物从生物反应器中取出来，进行侵入性测量。你需要在生物反应器中加入智能，并找到一种方法来最大限度地利用数据。我们使用数字双胞胎-可以将硅技术与实际实验相连接的模型-以可扩展的方式监测和控制系统。”

由Heck监督的数字双胞胎中的机械模拟是基于流速、流动方向、剪切、营养物质浓度和其他流体特性的物理模拟，通常由Fluent完成。负责Antleron高级治疗药物产品(ATMP)生物过程和基于数据的建模的Evan Claes正在研究数字双胞胎解决方案的另一半，他从生物反应器内的传感器或非侵入性采样中收集数据，以有效地“了解”生物反应器中的细胞如何对不同条件做出反应。Claes说:“就像如何监测婴儿或小动物的食物摄入量一样，细胞营养吸收的数据可以用来推断它们的生长速度——这在生物反应器中是不可能直接测量的。”

虽然这些基于数据的模型准确地预测了“简单”生物反应器中的细胞生长，但工程内部结构的存在使情况更加复杂。Claes解释说:“如果你有一个内部结构，为细胞生长提供了一个高表面积，你可能无法将大量营养物质输送到这个结构的中心——它们在到达中心之前就被支架外部的细胞消耗掉了。但几乎不可能收集数据，因为你不能在结构中放置传感器。然而，使用Fluent，我们可以通过了解结构外部的浓度来模拟结构内部的浓度，这是我们可以测量的。”

机械和基于数据的模拟方法一起工作，为生物反应器的数字双胞胎提供数据。数字双胞胎可以让Antleron的工程师和科学家更好地了解真实生物反应器在特定时间内发生的情况，这样他们就可以调整营养物质的数量，确定系统中有多少细胞，并知道何时停止这一过程。

开发生物疗法和生长活组织

除了增加生物反应器中的细胞数量外，生物技术公司还可以修改细胞以生产基于细胞的治疗方法。例如，起点可以是诱导多能干细胞(iPSCs)的样本，这些干细胞来自皮肤或血细胞，这些细胞被重新编程回到胚胎样多能状态。从诱导多能干细胞中，可以开发出治疗目的所需的任何类型的人类细胞的无限来源。

“一旦我有了我需要的细胞数量，我就可以把它们转化成另一种细胞类型，或者我可以把它们与另一种细胞类型结合起来，形成一个组织，”Schrooten说。“如果我有可以形成肝脏或软组织的细胞，我就可以在生物反应器中给它们提示，把它们与某种物质结合起来，转化成最终产品——在这种情况下，就是肝脏。”

从生物反应器中获取细胞

一旦细胞完成生长并经过修饰，如有必要，必须从生物反应器中有效地收集它们。由于每个单元格都是一个离散单元，与Ansys Fluent耦合的离散单元软件Rocky DEM可以在这一过程中提供帮助。Rocky DEM可以显示如何改变流量或向生物反应器中添加一些酶或蛋白质，从而使细胞从附着的底物上脱落，以便分离和收获。

赫克说:“在生物反应器中有数百万个细胞，但它们是独立的粒子，所以你想把它们当作一个独立的粒子来对待，而不是作为一个连续的材料。”“使用Rocky DEM进行模拟，有助于我们优化这些细胞的播种和收获条件。”

当前和未来的工作

安特勒隆目前的项目之一是研究免疫疗法杀死癌细胞的潜力。免疫疗法不使用放疗或化疗，而是通过将特定蛋白质附着在注射到患者体内的特定细胞上来攻击癌症。在这种情况下，起点是病人自己的树突细胞，这是他们免疫系统的一部分。这些细胞在生物反应器中繁殖并装载活性蛋白。然后它们被送回病人体内，希望能够杀死癌症。

从长远来看，安特勒隆希望超越个性化的细胞疗法，创造出可以移植到人体的活器官，当原始器官因疾病或损伤而衰竭时，可以延长人类的寿命。尽管有很多潜在的人体器官捐赠者，但如果他们在事故中死亡，只有一小部分人真正同意捐献他们的器官，更多的机会失去了，因为亲人不知道死者渴望捐献器官。人工器官可以帮助供给量接近需求，但要实现这一崇高目标仍面临许多挑战。

Schrooten说:“我们看到很多工具和技术——例如，增材制造和模拟的力量——被用于其他行业，我们认为这些工具和技术可以帮助医疗保健。”“通过Ansys模拟，我们可以在体外实验之前，在硅片上进行大量的开发，然后，最后在体内进行。这就是为什么我们说:‘如果我们知道生物过程是如何工作的，通过模拟和实验，我们可以在它周围建造理想的生物反应器。’”