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

By Ansys Advantage Staff

虽然一些大型制药公司在不到一年的时间里在开发和生产大量COVID-19疫苗方面取得了惊人的成果，但许多制药挑战存在于较小的规模上，即患有罕见疾病的单个患者或一小群患者。这种“个性化医疗”的方法已经引领了像Antleron在比利时鲁汶，重新定义了生物反应器的概念，使用Ansys模拟解决方案和数字双胞胎来优化和定制用于治疗目的的细胞生长。

“虽然我们仍然使用‘生物反应器’这个词，但我认为‘定制工厂’是一个更好的描述，”Antleron的联合创始人兼首席执行官简•施罗滕(Jan Schrooten)说。“它看起来就像一个微型化工厂，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。”

Schrooten在学术界工作了25年，试图制造活体植入物并进行组织工程实验，后于2014年创立了Antleron。作为一名工程师，面对学术界在将实验室工作转化为现实解决方案方面的局限性，他辞去了大学职位，创办了一家初创公司。经过深思熟虑，他和他的同事们决定以鹿角每年从零长到一米或更多的方式来命名公司鹿角——这是自然界中最令人印象深刻的再生生物过程之一。这个名字符合他们的使命:“使生命疗法:将细胞转化为个性化的疗法、组织和器官。”

Ansys启动程序的帮助

Schrooten对Ansys的模拟产品并不陌生，他已经与Ansys合作了大约25年，他认识到模拟对于他心目中的生物反应器的工程和监控至关重要。但是，像大多数初创公司一样，一开始资金并不充足。于是，他联系了Ansys，了解到Ansys启动程序这家公司为他提供了仿真软件，价格只是标价的一小部分。但他看到的不仅仅是这个项目的经济价值。

Schrooten表示:“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。“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尝试的反馈是关键。该项目为我们两国公司提供了一个相互学习和发展牢固关系的框架，这对我们双方都有利。通过与其他合作伙伴进行类似的合作，我们能够融合各种核心计算和实验技术的潜力，并将它们整合起来，以实现创新的基于细胞的治疗制造解决方案。”

利用Ansys解决方案，Antleron已经能够设计定制的生物反应器，将活细胞置于最佳的生长和修饰环境中。他们利用设计质量、数字孪生、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

在互联网上快速搜索一下生物反应器的图片，你会发现一系列的水箱、搅拌器、管道、阀门和其他类似于普通化工厂的东西，而对生物反应器复杂的内部工作原理却知之甚少。当你把活细胞加入到这个等式中，再加上生物过程固有的复杂性和可变性，事情很快就会失控。

“一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，”负责Antleron数字双胞胎和建模工作的汤米·赫克(Tommy Heck)说。“在细胞内部，你有许多信号通路，由各种分子组成，它们都受到细胞接收的营养物质和细胞经历的机械条件的影响。用一个简单的模型来描述太复杂了。由于我们不知道那里到底发生了什么，所以最好用混合模拟方法来模拟这个过程。”

这个过程从一个细胞源开始。这个来源可以是一个病人，他的细胞被提取出来，在生物反应器中生长和修饰，然后返回给病人，或者它可以是一个包含来自不同供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值和机械硬度)。然而，在体外实验中，细胞的环境通常类似于对空气开放的塑料培养皿，这不是最佳的。

施罗滕说:“将细胞置于它们能识别的更生理的环境中会改善这种情况。”“关键是定义这种环境。我们创造了一个三维的——甚至是四维的，因为时间很重要——可控的、封闭的环境，我们对其进行监控和定制，以获得最佳效果。”

不同于将细胞粘在开放的培养皿底部，或将细胞置于封闭的搅拌槽中，细胞漂浮在流体悬浮介质中，同时附着在微珠上，生物反应器的受控、封闭环境也可以填充高表面积材料，从而为细胞提供更定制、更可控的生长表面。这种内部材料可以是高度多孔的结构，也可以是为最佳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来构建生物反应器的内部结构。”“你可能会有一个重复的立方形状，或者一些凹凸的形状，用一些更大的通道来分配流体流动。Ansys流利对于预测通过这些复杂路径的流是很有用的。通过在设计、增材制造和实验的迭代循环中包括计算流体动力学(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。”

组合定制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，以喂养细胞并使其生长。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困难的，因此无法测量生物反应器内部的局部情况。因此，Antleron开发了一种计算机方法，以适应混合建模的共同开发，其目标是通过综合使用机械、物理模拟和基于数据的模拟方法来实现生物反应器的数字孪生。

基于数据和仿真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，你就想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，并找到一种最大化利用数据的方法。我们使用数字孪生模型——可以将计算机技术与实际实验联系起来的模型——以可扩展的方式监测和控制系统。”

在Heck的监督下，数字孪生体中的机械模拟是基于流体速率、流向、剪切、营养物质浓度和其他流体性质的物理模拟，通常由Fluent完成。埃文·克莱斯(Evan Claes)负责Antleron的先进治疗药物产品(ATMP)生物过程和基于数据的建模，他负责数字双胞胎解决方案的另一半，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对不同条件的反应。“就像如何监测婴儿或幼小动物的食物摄入一样，细胞营养摄取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，”Claes说。

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变得更加复杂。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——在它们到达中心之前，它们就被支架外部的细胞消耗了。但是收集数据几乎是不可能的，因为你不能把传感器放在结构里面。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，我们可以测量这些浓度。”

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孪生提供数据。数字孪生体让安特勒龙的工程师和科学家们更好地了解在给定时间真实生物反应器中发生的情况，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。

发展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疗法。例如，起始点可以是一个诱导多能干细胞(iPSCs)的样本，它来源于皮肤或血液细胞，这些细胞已经被重新编程回到胚胎样的多能状态。从多能干细胞中，可以开发出用于治疗目的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，我就可以将它们转化为另一种细胞类型，或者我可以将它们与另一种细胞类型结合起来形成组织，”Schrooten说。“如果我有可以形成肝脏或软组织的细胞，我可以在生物反应器中给它们线索，将它们与某种材料结合起来，转化为最终产品——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被修改，如果有必要，它们必须从生物反应器中有效地收获。由于每个单元都是一个离散单元，因此与Ansys Fluent耦合的离散单元软件Rocky DEM可以在此过程中提供帮助。Rocky DEM可以展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松动，以便分离和收获。

赫克说:“生物反应器中有数百万个细胞，但它们是独立的颗粒，所以你想把它们当作这样的颗粒来处理，而不是当作连续的材料。”“使用Rocky DEM进行模拟可以帮助我们优化这些细胞的播种和收获条件。”

当前和未来的工作

安特勒伦目前的一个项目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，而是提供特定的蛋白质，通过它们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，起点是患者自身的树突状细胞，这是他们免疫系统的一部分。这些细胞在生物反应器中增殖并装载活性蛋白。然后它们被送回病人体内，希望能杀死癌细胞。

从长远来看，安特勒隆希望超越个性化细胞疗法，创造出可以移植到人体的活体器官，当原始器官因疾病或受伤而衰竭时，可以延长人类的寿命。尽管有很多潜在的人体器官捐赠者，但只有一小部分人真正同意在事故中死亡时捐赠他们的器官，而更多的机会因为亲人不知道死者捐献器官的愿望而失去。人造器官可以帮助供应更接近需求，但要实现这一崇高目标还有很多挑战。

Schrooten说:“我们看到许多工具和技术——例如，增材制造和模拟的力量——被用于其他行业，我们相信这些工具和技术对医疗保健有帮助。”“通过Ansys模拟，我们可以在体外进行很多开发，然后再在体内进行。这就是为什么我们说:‘如果我们知道一个生物过程是如何工作的，通过模拟和实验，我们就可以围绕它建造理想的生物反应器。’”