Design and preliminary evaluation of a novel bioreactor for in vitro drug delivery studies

The aim of this work was to create an in vitro bioreactor system in which to evaluate the effects of encapsulated pharmaceutical agents in Red Blood Cells (RBCs). Encapsulation of the chemotherapeutic drugs in RBCs was accomplished by inducing relatively high mechanical shear stress on the cell membranes of RBCs via a PLLA cartridge to increase membrane porosity and therefore diffusion of the drug into the cell. An explicitly designed bioreactor was constructed to evaluate the efficacy of various drugs encapsulated in RBCs on Diffuse Large B Cell Lymphoma (DLBCL). Specifically, OCI-LY19 cells were cultured on hollow microporous fibers (HMF), through which drug-encapsulated RBCs would circulate. Through natural apoptotic cycles of the RBCs, the drug is released, diffuses through the HMF membrane, and induces apoptosis in the DLBCL cells. A preliminary characterization of the system and evaluation of the survival of DLBCL cells within the bioreactor in suspension and attached to the HMFs was performed. The ultrafiltration of the HMFs was evaluated in depth, and the rates calculated in the final configuration of the system range from 0.005 ml/min to 0.025 ml/min. The results from these experiments indicate that DLBCL cells grow well in the bioreactor in suspension and on the HMFs. The latter was accomplished with a coating of poly-D-lysine at 1:20. Dynamic experiments demonstrated good cellular viability involving co-cultured RBCs and DLBCL cells. Furthermore, a full characterization of the PLLA drug-loading cartridge is provided, which demonstrates large variations in pressure drops due to manufacturing inconsistencies.

Lo scopo di questo lavoro era quello di creare un bioreattore nel quale valutare gli effetti in vitro di farmaci chemioterapeutici incapsulati nei globuli rossi. L’incapsulamento è eseguito applicano sforzi di taglio meccanici alla membrana dei globuli stessi attraverso una cartuccia di PLLA per aumentare temporaneamente la sua porosità così da favorire la diffusione del farmaco nelle cellule. Un bioreattore è stato qui progettato e realizzato ad hoc per valutare l’efficacia di vari farmaci incapsulati negli eritrociti sul linfoma diffuso a grandi cellule B (DLBCL). Nello specifico, le cellule OCI-LY19 sono fatte crescere in adesione su membrane cave microporose (HFM), nel cui lume fluiranno i globuli rossi incapsulati. Attraverso la loro apoptosi naturale rilasceranno il farmaco che diffondendo attraverso le fibre ucciderà le cellule tumorali. Presentiamo una caratterizzazione preliminare del sistema e una valutazione della sopravvivenza cellulare delle OCI-LY19 in sospensione e in adesione nel bioreattore. L’ultrafiltrazione è stata valutata in varie condizioni operative, mostrando nella configurazione finale valori che spaziano da 0.005 ml/min a 0,025 ml/min. Si è poi osservato che le OCI-LY19 crescono bene in sospensione e in adesione sulle fibre nel bioreattore, il coating delle fibre scelto è stato PDL 1:20. Esperimenti di co-cultura dinamica di globuli rossi OCI-LY19 hanno mostrato una buona vitalità cellulare per entrambi. Infine, è mostrata anche una caratterizzazione completa delle cartucce in PLLA, la quale ha mostrato l’esistenza di una variabilità consistente dovuta probabilmente al processo manifatturiero.