Приложения на биореакторите в ключовите биофармацевтични модалности
Производство на моноклонални антитела: производство на „мляко“ от клетки CHO в биореактори от неръждаема стомана и еднократни биореактори
Масовото производство на моноклонални антитела (mAbs) зависи от биореактори, които отглеждат китайски хамстър овариални (CHO) клетки в промишлен мащаб. Системата от неръждаема стомана е способна да издържи големите обемни изисквания, докато биореакторите с единична употреба опростяват конструкцията и избягват време-емките стъпки за почистване и стерилизация, свързани с използването на биореактори, като по този начин увеличават скоростта на производството на партиди и намаляват рисковете от контаминация до 40%. И двата подхода осигуряват високо реактивна система за контрол на подаването на хранителни вещества и отстраняването на отпадъци, което позволява постигане на клетъчни плътности над 20 милиона клетки/мл и поддържане на качеството и последователността на получените антитела. Биореакторите, които произвеждат над 80% от терапевтичните протеини, получени от CHO клетки, в партиден режим, осигуряват и поддържат критичните качества (CQA) и последователността на произведените терапевтични протеини.
Производство на ваксини и клетъчна терапия: Мащабиране на вирусни вектори и автологично/алогенно биопроизводство
Биореакторите играят ключова роля в производството на вирусни вектори, необходими за разработването на ваксини, и подпомагат производството на аденовируси и лентивируси при титри над 10⁹ вирусни частици на милилитър. Освен това биореакторите осигуряват възможност за клетъчна терапия, като предоставят среда за отглеждане и размножаване както на автологични Т-клетки, получени от пациента, така и на алогенни „готови за употреба“ клетъчни линии, като същевременно запазват фенотипната стабилност и стабилността на клетъчното състояние. При разработката на процеси и производството на традиционни CAR-T клетъчни линии биореакторните системи произвеждат отделни партиди със стойност над 500 000 щ.д., докато затворената система с контролни системи за перфузия минимизира рисковете от кръстосана контаминация, осигурява контрол върху перфузията и подпомага лесното разширение на мащабния диапазон от 2 л до 2000 л, като едновременно изпълнява изискванията на FDA и cGMP за стерилност (300 клетки).
Ретрактилни елементи за управление и управление на биореактора в реално време
pH, температура, разтворен кислород и агитация: Ролята на всеки параметър при клетъчната пролиферация и продукцията
Функционирането на биореакторите може да се оцени чрез четири различни параметъра, а именно pH, температура, разтворен кислород (DO) и разбъркване. Всеки от тези параметри има строго определени граници. Отклонения на температурата над ±0,5 °C от 37 °C могат сериозно да намалят скоростта на растеж с 50 % и да предизвикат клетъчен стрес. Промени в pH извън оптималния диапазон 7,2–7,4 могат да доведат до загуба на жизнеспособността на клетките с повече от 30 % поради метаболитни промени. DO трябва да се поддържа между 30 % и 60 % наситеност. Неспазването на този диапазон води до неконтролируемо състояние на хипоксия, което може да затрудни аеробния метаболизъм, докато излишъкът DO може да причини оксидативен стрес и загуба на клетки приблизително с 25 %. Разбъркването служи за осигуряване на еднородност в биореактора; обаче прекомерното разбъркване може да доведе до излишно срязващо напрежение и разрушаване на крехки клетъчни линии. Всички четири параметъра директно влияят върху качеството на терапевтичните моноклонални антитела, техните гликозилационни профили и образуването на агрегати. Необходим е изключително висок степен на контрол върху тези параметри, за да се гарантира съответствието с изискванията за критични качества (Critical Quality Attribute – CQA).
Осигуряване на последователност и съответствие с насоките на FDA за CMC
Биореакторите трябва да използват съвременни системи за управление, за да интегрират четирите параметъра – температура, pH, разтворен кислород (DO) и разбъркване – с контролни граници в рамките на предварително зададен диапазон. Този тип система за управление осигурява затворено управление на:
Подаване на CO₂ за регулиране на pH
Топлообменници за регулиране на температурата
Смесване на газове за регулиране на DO
Регулируемо разбъркване
Използването на затворено управление осигурява последователност на партидните биореакторни системи с вариабилност под 5 %, което укрепва стандартния набор от CMC-управление (химия, производство и контрол), установен от FDA. Интегрираните системи за управление в биореакторите позволяват използването на системи за регистриране на данни, които са от решаващо значение за регулаторното съответствие в биопроизводството и осигуряват предиктивно качество на системата за управление. Системите за управление се подсилват чрез метаболитни сигнатури за управление, което намалява загубите поради отклонения с 40 % в производствени системи, сертифицирани според добрата производствена практика (GMP).
Избор на технология и стерилност в мащабируеми биореакторни системи
Системи, изградени с технологии за стерилизация на място (SIP) и почистване на място (CIP), и поддържащи/затворени процеси за намаляване на контаминацията
Гаранцията на производителя за стерилния продукт започва с гарантиране на стерилността. Системите за стерилизация на място (SIP) и почистване на място (CIP), макар и способни да дезинфицират биореактори от неръждаема стомана, изискват значителни ресурси и оставят възможност за множество грешки. Скорошно съобщение на FDA (2023 г.) посочва замърсяването и отзоваванията поради замърсяване в биофармацевтичната промишленост като основната причина за отзоваване на биологични лекарствени продукти при производството им. В биофармацевтичната промишленост парадигмата „еднократно използвани биореактори“, която е иновирана чрез гъвкави, предварително стерилизирани и еднократно използвани торбички, елиминира необходимостта от SIP и CIP, подобрява времето за преход между цикли и намалява риска от кръстосано замърсяване до 40%. Когато се използват заедно с подпомагащи/затворени процеси, при които течностните пътища са запечатани от момента на инокулацията до момента на реколтата, се създава здрава и сигурна бариера срещу замърсяване, която няма равна на себе си в отрасъла. Водещите производители в биофармацевтичната промишленост съобщават за намаляване с 90 % на неуспешните партиди след внедряването на интегрирани, затворени, еднократно използвани системи.
Ключови предизвикателства при мащабиране на биохимични реакторни процеси от 2-литров модел на работна маса до 20 000-литрово GMP производство
Предизвикателствата при мащабиране на биореакторните операции представляват комбинация от биологични и инженерни проблеми, като три от тях остават основни:
1. Увреждане на клетките чрез срязващо напрежение: При по-голям обем течност и по-голям съд се увеличават срязващите сили при разбъркване. Това може да увреди клетки, чувствителни към срязващи сили.
2. Пренос на газ: Без използване на оптимизирани методи за продуване или технологии за пренос на маса кислородът не може да се дифундира в биореактора при обеми над 1 000 литра.
3. Инженерни параметри на процеса: Възникват градиенти на pH, температура и други параметри в обема, обработван в биореакторния съд. Тези параметри са непоследователни и неравномерни.
Изпълнение на изискванията на FDA за химическия, производствения и контролния (CMC) аспект на търговското мащабиране: Колкото по-голямо е мащабирането, толкова по-голямо е предизвикателството да се изпълнят изискванията за валидиране.
Успешният процес на мащабиране изисква значително разбиране както на параметрите, така и, най-важното, на динамичното поведение на процеса, а не просто разбиране на зададените стойности. Използването на перфузионни биореактори позволява на процеса да поддържа постоянна среда за култивиране на клетки, която съдържа необходимите за клетките хранителни вещества, както и възможността за отстраняване на метаболитните отпадъци, произведени от клетките. Използването на високоточни сензорни системи позволява на процеса да извършва промени в реално време, по автономен начин, за контролиране на необходимите параметри.
Според проучване от 2023 г. на Института Понеон е установено, че средната загуба за производителя при един неуспешен процес на мащабиране възлиза на 740 000 щатски долара.
Другата основна предизвикателство при мащабирането на операциите с биореактори е, че модулните системи с еднократна употреба имат материално ограничение за обемна вместимост от 2000 л, което е характерно за повечето биореакторни системи. За ултраголеми биореакторни операции (с обемна вместимост над 15 000 л) водещите системи все още са изработени от неръждаема стомана, независимо от ограниченията и тежестите, свързани с изискванията за валидиране на стерилизацията с пара.
Накратко:
Какви са предимствата на биореакторите с еднократна употреба в сравнение с биореакторите от неръждаема стомана?
Биореакторите с еднократна употреба опростяват процеса на време за преход между партиди, минимизират възможностите за контаминация и елиминират необходимостта от почистване и стерилизация, като намаляват времето за преход до 40%.
Какви критични параметри на процеса с биореактори оказват влияние върху биореакторите?
За качеството на продукта, както и за скоростите на растеж на клетките и общия добив, pH, температурата, разтвореният кислород и разбъркването са всички критични технологични параметри. Строгият контрол върху всички тези параметри е задължителен при производството, например за качествените характеристики на моноклоналните антитела.
Какво е значението на биореакторните системи за еднократна употреба?
Биореакторните системи за еднократна употреба, заедно със затворените процесни системи, осигуряват най-високата степен на стерилизационен контрол, който е най-важният аспект при биореакторите за предотвратяване на контаминация. Контаминацията е основната причина за неуспех на биореакторите и в крайна сметка води до несъответствие с регулаторните изисквания, което предизвиква отзоваване на продуктите.