ما هو المفاعل الحيوي وكيف يُحفِّز إنتاج الأدوية البيولوجية الحديثة؟

تطبيقات المفاعلات الحيوية في أبرز صيغ الأدوية الحيوية

إنتاج الأجسام المضادة وحيدة النسيلة: إنتاج الحليب من خلايا CHO في مفاعلات حيوية من الفولاذ المقاوم للصدأ ومفاعلات حيوية أحادية الاستخدام

يعتمد الإنتاج الضخم للأجسام المضادة وحيدة النسل (mAbs) على المفاعلات الحيوية التي تُستخدم لتنمية خلايا المبيض الصيني للهامستر (CHO) على نطاق صناعي. ويمكن للنظام المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ أن يتحمل متطلبات الحجم الكبير، في حين أن المفاعلات الحيوية ذات الاستخدام الواحد تبسّط التصميم وتتجنب خطوات التنظيف والتعقيم الطويلة التي تتطلبها المفاعلات الحيوية التقليدية، مما يحسّن سرعة إنتاج الدفعات ويقلل مخاطر التلوث بنسبة تصل إلى ٤٠٪. وتوفر كلتا هاتين الطريقتين نظامًا عالي الاستجابة للتحكم في تغذية العناصر الغذائية والتحكم في النفايات، ما يسمح بتحقيق كثافات خلوية تفوق ٢٠ مليون خلية/مل ويحافظ على الجودة وإنتاج الأجسام المضادة بشكلٍ ثابت. كما أن المفاعلات الحيوية التي تُنتج أكثر من ٨٠٪ من البروتينات العلاجية المشتقة من خلايا CHO ضمن نظام دفعي-إلى-دفعي توفر السمات الحرجة للجودة (CQA) وتحافظ عليها، وكذلك الاتساق في البروتينات العلاجية المنتَجة.

تصنيع اللقاحات والعلاجات الخلوية: التوسع في إنتاج المتجهات الفيروسية والإنتاج البيولوجي الذاتي/الغير ذاتي

تلعب المفاعلات الحيوية دورًا حاسمًا في إنتاج المتجهات الفيروسية المطلوبة لتطوير اللقاحات، وتدعم إنتاج فيروسات الأدينوفيرس وفيروسات اللينتي فيرس عند تركيزات تفوق ١٠⁹ جسيمًا فيروسيًّا لكل مليلتر. علاوةً على ذلك، تُمكِّن المفاعلات الحيوية العلاجات الخلوية من خلال توفير وسط مناسب لزراعة وتوسيع خلايا T المشتقة من المريض ذاتيًّا وكذلك خطوط الخلايا غير الذاتية الجاهزة للاستخدام («جاهزة للصرف»)، مع الحفاظ على استقرار الحالة الظاهرية والخلوية للخلايا. وفي سياق تطوير العمليات وتصنيع خطوط خلايا CAR-T التقليدية، تُنتج أنظمة المفاعلات الحيوية دفعات فردية تتجاوز قيمتها ٥٠٠٬٠٠٠ دولار أمريكي، بينما يقلل التصميم المغلق لأنظمة التحكم في التغذية المستمرة من مخاطر التلوث المتبادل، ويضمن التحكم الدقيق في عملية التغذية المستمرة، ويدعم توسيع نطاق السعة التشغيلية بسهولة من ٢ لتر إلى ٢٠٠٠ لتر، مع الالتزام الكامل بمتطلبات هيئة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) ومتطلبات التصنيع الجيد للمواد الصيدلانية (cGMP) المتعلقة بالتعقيم.

عناصر التحكم القابلة للسحب وإدارة المفاعل الحيوي في الوقت الفعلي

الأس الهيدروجيني (pH)، ودرجة الحرارة، والأكسجين المذاب، والتحريك: دور كل معلمة في تكاثر الخلايا وإنتاج النواتج

يمكن تقييم أداء المفاعلات الحيوية باستخدام أربعة معاملات مميزة، وهي: درجة الحموضة (pH)، ودرجة الحرارة، والأكسجين المذاب (DO)، والتحريك. ولكلٍّ من هذه المعاملات نطاقات مُعرَّفة بدقة بالغة. فانحراف درجة الحرارة عن 37°م بمقدار ±0,5°م يمكن أن يقلل معدلات النمو بنسبة تصل إلى 50% ويسبب إجهادًا خلويًّا شديدًا. كما أن الانحرافات في درجة الحموضة عن النطاق الأمثل 7,2–7,4 قد تؤدي إلى فقدان قابلية الخلايا للبقاء بنسبة تفوق 30% نتيجة التغيرات الأيضية. ويجب الحفاظ على مستوى الأكسجين المذاب ضمن مدى التشبع من 30% إلى 60%. فالفشل في تحقيق هذا النطاق يؤدي إلى حالة نقص الأكسجين (الهيبوكسيا) التي يصعب التحكم بها، مما يعوِّق الأيض الهوائي، بينما قد يتسبب ارتفاع مستوى الأكسجين المذاب في حدوث إجهاد تأكسدي وفقدان الخلايا بنسبة تقارب 25%. أما التحريك فيخدم ضمان التجانس داخل المفاعل الحيوي، لكن التحريك المفرط قد يولِّد إجهاد قصٍّ زائدًا ويؤدي إلى اضطراب خطوط الخلايا الهشة. وتؤثر كلُّ هذه المعاملات الأربعة تأثيرًا مباشرًا على جودة الأجسام المضادة وحيدة النسيلة العلاجية وأنماط تحليلها السكري (Glycosylation) وتكوين التجمعات (Aggregates). ولذلك لا بد من ممارسة تحكُّمٍ دقيقٍ جدًّا في هذه المعاملات لضمان الامتثال لمعايير السمة النوعية الحرجة (CQA).

ضمان الاتساق والامتثال لإرشادات إدارة الأغذية والأدوية (FDA) الخاصة بالكيمياء والتصنيع والتحكم (CMC)

يجب أن تستخدم المفاعلات الحيوية أنظمة تحكم حديثة لدمج أربعة عوامل: درجة الحرارة، ودرجة الحموضة (pH)، والأكسجين المذاب (DO)، والتحريك ضمن حدود تحكم مُحدَّدة مسبقًا. ويضمن هذا النوع من أنظمة التحكم التحكم الحلقي المغلق في ما يلي:

حقن غاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) للتحكم في درجة الحموضة (pH)

المبادلات الحرارية للتحكم في درجة الحرارة

مزيج الغازات للتحكم في الأكسجين المذاب (DO)

التحريك القابل للتعديل

يضمن استخدام التحكم الحلقي المغلق اتساق أنظمة المفاعلات الحيوية الدفعية بنسبة تقل عن ٥٪ من التباين، مما يعزز مجموعة معايير التحكم في الكيمياء والتصنيع والتحكم (CMC) التي وضعتها إدارة الأغذية والأدوية (FDA). وتسمح أنظمة التحكم المتكاملة في المفاعلات الحيوية باستخدام أنظمة تسجيل البيانات، وهي أنظمة بالغة الأهمية للامتثال التنظيمي في إنتاج المواد البيولوجية، كما توفر خاصية التنبؤ بالجودة لأنظمة التحكم. وتُدعَّم أنظمة التحكم بتوقيعات التحكم الأيضي، مما يقلل الخسائر الناجمة عن الانحرافات بنسبة ٤٠٪ في نظم الإنتاج المعتمدة وفق ممارسات التصنيع الجيدة (GMP).

اختيار التكنولوجيا والتعقيم في أنظمة المفاعلات الحيوية القابلة للتوسّع

الأنظمة المُبنية بتقنيات التعقيم بالبخار (SIP) والتنظيف بالغسل (CIP)، والمعالجة الداعمة/المغلقة التي تقلل من خطر التلوث

يبدأ ضمان الشركة المصنعة لاست sterile للمنتج بضمان التعقيم. وتُعد أنظمة التعقيم بالبخار (SIP) والتنظيف بالمكان (CIP)، رغم قدرتها على إزالة التلوث عن مفاعلات التخمير المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، شديدة الاستهلاك للموارد وتترك مجالاً واسعاً لوقوع أخطاء عديدة. وقد أشارت مراسلات حديثة صادرة عن إدارة الأغذية والأدوية الأمريكية (FDA) عام 2023 إلى أن التلوث والاستدعاءات الناجمة عن التلوث في مجال الأدوية الحيوية يُعَدّ السبب الرئيسي لاستدعاءات المنتجات البيولوجية أثناء التصنيع. وفي مجال الأدوية الحيوية، أحدث نموذج «المفاعل الحيوي للاستخدام الواحد» في معالجة الكائنات الحية ثورةً في هذا المجال، حيث تعتمد هذه التقنية على أكياس مرنة ومُعقَّمة مسبقاً وقابلة للتخلص منها، ما يلغي الحاجة إلى أنظمة التعقيم بالبخار (SIP) والتنظيف بالمكان (CIP)، ويحسّن أوقات الدوران، ويقلل خطر التلوث المتبادل بنسبة تصل إلى ٤٠٪. وعند استخدام هذه الأنظمة جنباً إلى جنب مع عمليات المعالجة المدعومة/المغلقة، التي تظل فيها مسارات السوائل محكمة الإغلاق منذ نقطة الزرع وحتى نقطة الحصاد، فإن ذلك يخلق حاجزاً قوياً وآمناً ضد التلوث لا مثيل له في هذه الصناعة. وقد أفاد أبرز الشركات المصنعة في مجال الأدوية الحيوية بأنها سجّلت انخفاضاً بنسبة ٩٠٪ في حالات فشل الدفعات بعد اعتماد أنظمة متكاملة ومغلقة للاستخدام الواحد.

التحديات الرئيسية في توسيع عمليات المفاعلات الكيميائية الحيوية من مقياس مختبري قدره ٢ لتر إلى إنتاج تجاري بمواصفات التصنيع الجيد (GMP) بسعة ٢٠٬٠٠٠ لتر

تتمثل تحديات توسيع عمليات المفاعلات الحيوية في مزيج من القضايا البيولوجية والهندسية، ومن بينها ثلاثة تحديات رئيسية تبقى هي الأهم:

١. تلف الخلايا الناجم عن الإجهاد القصي: فمع زيادة حجم السائل وازدياد حجم الإناء، تزداد قوى القص داخل الخليط، ما قد يؤدي إلى تلف الخلايا الحساسة لهذه القوى.
٢. انتقال الغاز: فبدون استخدام تقنيات حقن الغاز المُحسَّنة أو تقنيات انتقال الكتلة، لا يمكن للأكسجين أن يذوب في المفاعل الحيوي عند أحجام تفوق ١٬٠٠٠ لتر.
٣. معاملات العملية الهندسية: فتظهر تدرجات في درجة الحموضة (pH) ودرجة الحرارة وغيرها من المعاملات عبر حجم السائل المُعالَج داخل إناء المفاعل الحيوي، وهذه المعاملات تكون غير متسقة وغير متجانسة.

تلبية متطلبات إدارة الأغذية والأدوية الأمريكية (FDA) المتعلقة بالكيمياء والتصنيع والتحكم في الجودة (CMC) على المستوى التجاري: فكلما زاد مقياس الإنتاج، زادت صعوبة الوفاء بمتطلبات التحقق والتحقق من الصلاحية.

تتطلب عملية التوسع الناجحة فهمًا كبيرًا لكل من المعايير، والأهم من ذلك السلوك الديناميكي للعملية، وليس فقط فهم نقاط الضبط. ويسمح استخدام بيوراكتورات التغذية المستمرة للعملية بالحفاظ على وسط زراعة خلوية ثابت يحتوي على العناصر الغذائية التي تحتاجها الخلايا، فضلاً عن القدرة على إزالة الفضلات الأيضية التي تنتجها الخلايا. كما يتيح استخدام أنظمة أجهزة استشعار عالية الدقة للعملية إجراء التعديلات في الوقت الفعلي وبشكل مستقل للتحكم في المعايير اللازمة.

في دراسة أُجريت عام ٢٠٢٣ من قِبل معهد بونيون، أُبلغ عن أن متوسط التكلفة المرتبطة بفشل عملية توسع واحدة بلغ ٧٤٠٠٠٠ دولار أمريكي بالنسبة للمصنّع.

إن التحدي الرئيسي الآخر في توسيع عمليات المفاعلات الحيوية هو أن الأنظمة الوحدوية القابلة للاستخدام لمرة واحدة تظل مُقيَّدة من حيث المواد، بحيث لا تتجاوز سعة معظم أنظمة المفاعلات الحيوية ٢٠٠٠ لتر. أما بالنسبة لعمليات المفاعلات الحيوية فائقة التوسع (التي تتجاوز سعتها ١٥٠٠٠ لتر)، فإن الأنظمة الرائدة لا تزال هي الأنظمة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، بغض النظر عن القيود والأعباء المرتبطة باشتراطات التحقق من التعقيم بالبخار.

باختصار:

ما المزايا التي تتمتع بها المفاعلات الحيوية القابلة للاستخدام لمرة واحدة مقارنةً بالمفاعلات الحيوية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ؟

تُبسِّط المفاعلات الحيوية القابلة للاستخدام لمرة واحدة عملية وقت الدورة الكاملة، وتقلل من فرص التلوث، وتلغي الحاجة إلى التنظيف والتعقيم، وكل ذلك من خلال خفض وقت الدورة الكاملة بنسبة تصل إلى ٤٠٪.

ما المعايير الحرجة لعملية المفاعل الحيوي التي تؤثر على المفاعلات الحيوية؟

بالنسبة لجودة المنتج وكذلك معدلات نمو الخلايا والعائد الكلي، فإن درجة الحموضة (pH) ودرجة الحرارة والأكسجين المذاب والتحريك تُعَدُّ جميعها معايير عملية بالغة الأهمية. ويجب التحكم الدقيق في كلٍّ من هذه المعايير أثناء التصنيع، على سبيل المثال، في السمات النوعية للأجسام المضادة وحيدة النسيلة.

ما أهمية أنظمة المفاعلات الحيوية ذات الاستخدام الواحد؟

توفر أنظمة المفاعلات الحيوية ذات الاستخدام الواحد، جنبًا إلى جنب مع أنظمة المعالجة المغلقة، أعلى مستوى من التحكم في التعقيم، وهي الجوانب الأكثر حرجًا في المفاعلات الحيوية لمنع التلوث. ويُعَدُّ التلوث السبب الرئيسي لفشل المفاعلات الحيوية، ما يؤدي في النهاية إلى عدم الامتثال التنظيمي وحدوث عمليات سحب للمنتجات من السوق.