Anvendelse af bioreaktorer inden for centrale biopharmaceutiske modaliteter
Fremstilling af monoklonale antistoffer: Mælkeproduktion fra CHO-celler i rustfrit stål- og engangsbioreaktorer
Masseproduktion af monoklonale antistoffer (mAbs) afhænger af bioreaktorer, der dyrker kinesiske hamsterovarcellelinjer (CHO-celler) i industrielt omfang. Et system af rustfrit stål kan klare de store volumenkrav, mens en engangsbioreaktor forenkler designet og undgår de tidskrævende rengørings- og steriliseringsprocesser, der er forbundet med brugen af bioreaktorer, hvilket dermed forbedrer produktionshastigheden for hver parti og reducerer risikoen for forurening med op til 40 %. Begge disse metoder giver et meget responsivt system til styring af næringsstoftilførsel og affaldskontrol, hvilket muliggør celldensiteter på over 20 millioner celler/mL og sikrer kvalitet samt konsekvente antistofudbytter. Bioreaktorer, der producerer over 80 % af terapeutiske proteiner udledt fra CHO-celler i et partibaseret system, sikrer og vedligeholder kritiske kvalitetsparametre (CQA) samt konsistens for de producerede terapeutiske proteiner.
Produktion af vacciner og cellebaserede terapier: Skalering af virale vektorer og autologe/allogene bioproduktionsprocesser
Bioreaktorer spiller en afgørende rolle i produktionen af de virale vektorer, der kræves til udviklingen af vacciner, og understøtter produktionen af adenovirusser og lentivirusser ved titre på over 10⁹ viruspartikler pr. milliliter. Desuden muliggør bioreaktorer cellebaserede terapier ved at levere et miljø til opformering og udvidelse af både autologe, patientafledte T-celler samt allogene «færdige» cellelinjer, samtidig med at den fenotypiske og cellulære tilstandsstabilitet opretholdes. Ved procesudvikling og produktion af traditionelle CAR-T-cellelinjer leverer bioreactorsystemerne individuelle partier med en værdi på over 500.000 USD, mens lukkede systemdesign med perfusionskontrolsystemer minimerer risici for krydskontaminering, sikrer kontrol med perfusionen og understøtter nem udvidelse af skalaområdet fra 2 L til 2.000 L, samtidig med at kravene fra FDA og cGMP300 til sterilitet opfyldes.
Indtrækkelige kontrolelementer og realtidsstyring af bioreaktor
pH, temperatur, opløst ilt og omrøring: Hver parameters rolle for cellulær prolifération og produktudbytte
Funktionen af bioreaktorer kan vurderes ved hjælp af fire forskellige parametre, nemlig pH, temperatur, opløst ilt (DO) og omrøring. Hver af disse parametre har kritisk definerede intervaller. Afvigelser i temperaturen på mere end ±0,5 °C fra 37 °C kan alvorligt reducere væksthastigheden med 50 % og forårsage cellulær stress. Ændringer i pH-værdien uden for det optimale interval på 7,2–7,4 kan føre til en tab af celleoverlevelse på over 30 % som følge af metaboliske ændringer. DO skal holdes mellem 30 % og 60 % saturation. Manglende opnåelse af dette interval resulterer i en uoverstigelig hypoxitilstand, der kan hæmme aerob metabolisme, mens for meget DO kan føre til oxidativ stress og celletab på ca. 25 %. Omrøring sikrer ensartethed i bioreaktoren; imidlertid kan en stor grad af omrøring føre til overdreven skærspænding og forstyrrelse af sarte cellelinjer. Alle fire parametre påvirker direkte kvaliteten af terapeutiske monoklonale antistoffer samt deres glykosyleringsmønstre og dannelse af agglomerater. Der kræves en ekstrem grad af kontrol over parametrene for at sikre overholdelse af kritiske kvalitetsattributter (Critical Quality Attribute, CQA).
Sikring af konsistens og overholdelse af FDA's CMC-vejledninger
Bioreaktorer skal anvende moderne styresystemer til at integrere de fire parametre temperatur, pH, DO og omrøring med styregrænser inden for et forudindstillet interval. Denne type styresystem sikrer lukket-loop-styring af:
CO₂-tilførsel til pH-styring
Varmevekslere til temperaturstyring
Gasblanding til DO-styring
Justerbar omrøring
Anvendelsen af lukket-loop-styring sikrer konsistens i batch-bioreaktorsystemer med mindre end 5 % variabilitet og understøtter dermed den standardiserede CMC-styring (kemi, fremstilling og kontrol), som FDA har fastsat. Integrerede styresystemer i bioreaktorer muliggør brug af dataregistreringssystemer, som er afgørende for regulering i bioproduktion og giver styresystemet en prædiktiv kvalitet. Styresystemer styrkes yderligere af metaboliske kontrolsignaturer, hvilket reducerer tab som følge af afvigelser med 40 % i produktionsanlæg, der er certificeret i henhold til god fremstillingspraksis (GMP).
Valg af teknologi og sterilitet i skalerbare bioreaktorsystemer
Systemer bygget med SIP/CIP-teknologier og understøttende/lukkede procesforløb til reduktion af forurening
Producentens garanti for et sterilt produkt begynder med sikring af sterilitet. SIP- og CIP-systemer kan desinficere rustfrie stålbioreaktorer, men er meget ressourcekrævende og efterlader plads til talrige fejl. Nylig kommunikation fra FDA (2023) nævner forurening og tilbagetrækninger på grund af forurening inden for biopharma som den vigtigste årsag til tilbagetrækninger af biologiske lægemidler. Inden for biopharma eliminerer paradigmet »single-use-bioreaktor« inden for bioprocessering – som bygger på fleksible, forsteriliserede og engangsbægre – behovet for SIP og CIP, samtidig med at gennemløbstider forbedres og risikoen for krydsforurening reduceres med op til 40 %. Når disse systemer anvendes sammen med støttende/lukket procesudførelse, hvor væskeveje er forseglet fra inoculationspunktet til høstningspunktet, skabes en robust og sikker barriere mod forurening, der er uden sidestykke i branchen. De førende producenter inden for biopharma har rapporteret en reduktion i batchfejl på 90 % ved indførelsen af integrerede, lukkede, engangs-systemer.
Nøgleudfordringer ved skalering af biokemiske reaktorprocesser fra 2-L laboratorieudstyr til 20.000-L GMP-produktion
Udfordringerne ved skalering af bioreaktordrift er en blanding af biologiske og tekniske problemer, hvoraf tre forbliver primære:
1. Celleskade forårsaget af skærvirkning: Ved større væskevolumen og dermed større beholder bliver skærvirkningerne i blandingen mere udtalte. Dette kan potentielt skade celler, der er følsomme over for skærvirkning.
2. Gasoverførsel: Uden brug af optimeret sparging- eller masseoverførselsteknologi kan ilt ikke diffundere ind i bioreaktoren i beholdere større end 1.000 L.
3. Tekniske procesparametre: Der opstår pH-, temperatur- og andre gradienter tværs gennem volumenet i en bioreaktorbeholder. Disse parametre er inkonsistente og ujævne.
Opfyldelse af FDA’s CMC-krav til kommerciel skala: Jo større skalaen er, desto mere udfordrende bliver det at opfylde valideringskravene.
Den succesfulde opskalering kræver en betydelig forståelse af både parametrene og især den dynamiske adfærd af processen, og ikke blot en forståelse af de indstillede værdier. Brugen af perfusionsbioreaktorer gør det muligt at opretholde et konstant cellekulturmedium, der indeholder de næringsstoffer, som cellerne har brug for, samt muligheden for at fjerne de stofskifteaffald, som cellerne producerer. Brugen af højpræcise sensorsystemer gør det muligt for processen at foretage ændringer i realtid på en autonom måde for at regulere de nødvendige parametre.
I en undersøgelse fra 2023 udført af Ponemon Institute blev det rapporteret, at en enkelt mislykket opskalering i gennemsnit koster producenten 740.000 USD.
Den anden store udfordring ved at skala op bioreaktordrift er, at modulære engangssystemer har en materielle begrænsning for de fleste bioreaktorsystemers volumenkapacitet på 2.000 L. For ultra-storskala bioreaktordrift (volumenkapacitet på over 15.000 L) er de førende systemer stadig rustfri stålsystemer, uanset begrænsningerne og byrden ved kravene til validering af dampsterilisering.
Kort sagt:
Hvad er fordelene ved engangsbioreaktorer sammenlignet med rustfrie stålbioreaktorer?
Engangsbioreaktorer forenkler procesgenkørselstiden, minimerer risikoen for forurening og eliminerer behovet for rengøring og sterilisering – alt sammen ved at reducere genkørselstiden med op til 40 %.
Hvilke kritiske bioreaktorprocesparametre påvirker bioreaktorer?
For kvaliteten af produktet samt cellevæksthastighederne og den samlede udbytte er pH, temperatur, opløst ilt og omrøring alle kritiske procesparametre. Stram kontrol af alle disse parametre er nødvendig i fremstillingen, for eksempel med hensyn til kvalitetsegenskaberne for monoklonale antistoffer.
Hvad er betydningen af engangsbioreaktorsystemer?
Engangsbioreaktorsystemer sammen med lukkede procesystemer sikrer den højeste form for steriliseringskontrol, hvilket er det mest afgørende aspekt ved bioreaktorer for at forhindre forurening. Forurening er den primære årsag til fejl i bioreaktorer og fører til sidste ende til manglende overholdelse af reguleringskrav, hvilket resulterer i tilbagetrækninger.