Aplicaciones de los biorreactores en modalidades biofarmacéuticas clave
Producción de anticuerpos monoclonales: producción de "leche" a partir de células CHO en biorreactores de acero inoxidable y de un solo uso
La producción en masa de anticuerpos monoclonales (mAb) depende de los biorreactores que cultivan células de ovario de hámster chino (CHO) a escala industrial. Un sistema de acero inoxidable es capaz de soportar las exigencias de gran volumen, mientras que los biorreactores de un solo uso simplifican el diseño y evitan las etapas de limpieza y esterilización, que consumen mucho tiempo, asociadas al uso de biorreactores, mejorando así la velocidad de producción por lotes y reduciendo hasta en un 40 % los riesgos de contaminación. Ambos enfoques proporcionan un sistema altamente reactivo para el control de la alimentación de nutrientes y la eliminación de desechos, lo que permite alcanzar densidades celulares superiores a 20 millones de células/mL y mantener la calidad y la consistencia del rendimiento de anticuerpos. Los biorreactores que producen más del 80 % de las proteínas terapéuticas derivadas de células CHO en un sistema por lotes garantizan y mantienen los atributos críticos de calidad (CQA) y la consistencia de las proteínas terapéuticas producidas.
Fabricación de vacunas y terapias celulares: Escalado de vectores virales y producción biológica autóloga/allogénica
Los biorreactores desempeñan un papel fundamental en la producción de los vectores virales necesarios para el desarrollo de vacunas y respaldan la producción de adenovirus y lentivirus a títulos superiores a 10⁹ partículas virales por mililitro. Además, los biorreactores posibilitan las terapias celulares al proporcionar un medio para cultivar y expandir tanto linfocitos T autólogos derivados del paciente como líneas celulares allogénicas «listas para usar», manteniendo al mismo tiempo la estabilidad fenotípica y del estado celular. En el desarrollo de procesos y la fabricación de líneas celulares CAR-T tradicionales, los sistemas de biorreactores generan lotes individuales cuyo valor supera los 500 000 USD, mientras que su diseño en sistema cerrado, junto con sistemas de control de perfusión, minimiza los riesgos de contaminación cruzada, permite mantener el control de la perfusión y facilita la ampliación del rango de escalado desde 2 L hasta 2 000 L, cumpliendo simultáneamente los requisitos de esterilidad de la FDA y de las Buenas Prácticas de Manufactura (cGMP) nivel 300.
Elementos de control retráctiles y gestión en tiempo real del biorreactor
pH, temperatura, oxígeno disuelto y agitación: El papel de cada parámetro en la proliferación celular y la producción de producto
El funcionamiento de los biorreactores puede evaluarse mediante cuatro parámetros distintos: pH, temperatura, oxígeno disuelto (OD) y agitación. Cada uno de estos parámetros tiene rangos críticamente definidos. Las desviaciones de la temperatura superiores a ±0,5 °C respecto a 37 °C pueden reducir drásticamente las tasas de crecimiento en un 50 % y causar estrés celular. Los cambios de pH fuera del rango óptimo de 7,2 a 7,4 pueden provocar una pérdida de viabilidad celular superior al 30 % debido a alteraciones metabólicas. El OD debe mantenerse entre el 30 % y el 60 % de saturación. No alcanzar este rango conduce a una condición incontrolable de hipoxia, lo que puede obstaculizar el metabolismo aeróbico, mientras que un exceso de OD puede generar estrés oxidativo y una pérdida celular de aproximadamente el 25 %. La agitación sirve para garantizar la uniformidad dentro del biorreactor; sin embargo, un grado excesivo de agitación puede provocar tensiones cortantes excesivas y la ruptura de líneas celulares frágiles. Los cuatro parámetros influyen directamente en la calidad de los anticuerpos monoclonales terapéuticos, así como en sus patrones de glucosilación y en la formación de agregados. Es indispensable ejercer un control extremo sobre dichos parámetros para garantizar el cumplimiento de los estándares de Atributo Crítico de Calidad (CQA).
Garantizar la coherencia y el cumplimiento de las directrices de la FDA sobre CMC
Los biorreactores deben emplear sistemas de control modernos para integrar los cuatro parámetros de temperatura, pH, DO (oxígeno disuelto) y agitación, con límites de control dentro de un rango preestablecido. Este tipo de sistema de control garantiza el control en bucle cerrado de:
Insuflación de CO₂ para el control del pH
Intercambiadores de calor para el control de la temperatura
Mezcla de gases para el control del DO
Agitación ajustable
El uso del control en bucle cerrado garantiza la coherencia de los sistemas de biorreactores por lotes con una variabilidad inferior al 5 %, reforzando así el conjunto estándar de controles CMC (Química, Fabricación y Controles) establecido por la FDA. Los sistemas de control integrados en los biorreactores permiten utilizar sistemas de registro de datos, fundamentales para la regulación en la producción biotecnológica y que aportan una capacidad predictiva al sistema de control. Los sistemas de control se ven reforzados mediante firmas metabólicas de control, lo que reduce en un 40 % las pérdidas derivadas de desviaciones en los sistemas de producción certificados conforme a las Buenas Prácticas de Manufactura (GMP).
Elección de la tecnología y la esterilidad en sistemas de biorreactores escalables
Sistemas construidos con tecnologías SIP/CIP y procesamiento asistido/cerrado para mitigar la contaminación
La garantía del fabricante de un producto estéril comienza con la certeza de la esterilidad. Los sistemas SIP (esterilización en lugar) y CIP (limpieza en lugar), aunque son capaces de descontaminar biorreactores de acero inoxidable, consumen muchos recursos y dejan margen para numerosos errores. En una comunicación reciente de la FDA (2023) se señala que la contaminación y las retiradas del mercado derivadas de dicha contaminación en el sector biofarmacéutico constituyen la principal causa de retiradas de productos biológicos. En el ámbito biofarmacéutico, el paradigma del «biorreactor de uso único», innovado mediante bolsas flexibles, preesterilizadas y desechables, elimina los procesos SIP y CIP, mejora los tiempos de ciclo y reduce hasta en un 40 % el riesgo de contaminación cruzada. Cuando se utiliza junto con procesamiento de soporte/cerrado, en el que las vías de flujo de líquidos permanecen selladas desde el punto de inoculación hasta el punto de recolección, se crea una barrera robusta y segura contra la contaminación sin parangón en la industria. Los principales fabricantes del sector biofarmacéutico han informado de una reducción del 90 % en los fallos de lote tras adoptar estos sistemas integrados, cerrados y de uso único.
Principales desafíos en la escalación de procesos de reactores bioquímicos, desde bancada de 2 L hasta producción GMP de 20 000 L
Los desafíos asociados a la escalación de las operaciones en biorreactores combinan aspectos biológicos e ingenieriles, de los cuales tres siguen siendo los principales:
1. Daño celular por esfuerzo cortante: Con un mayor volumen de líquido, al aumentar el tamaño del recipiente se intensifican las fuerzas cortantes generadas durante la mezcla. Esto puede dañar células sensibles a dichas fuerzas.
2. Transferencia de gases: Sin recurrir a tecnologías optimizadas de aireación (sparging) o de transferencia de masa, el oxígeno no puede difundirse adecuadamente en biorreactores cuyo volumen supere los 1 000 L.
3. Parámetros de proceso de ingeniería: En el volumen procesado dentro de un recipiente de biorreactor surgen gradientes de pH, temperatura y otros parámetros. Estos parámetros resultan inconsistentes y no uniformes.
Cumplimiento de los requisitos comerciales de CMC de la FDA: A mayor escala, resulta más difícil cumplir con los requisitos de validación.
El proceso exitoso de escalado requiere una comprensión significativa tanto de los parámetros como, lo más importante, del comportamiento dinámico del proceso, y no simplemente una comprensión de los valores de consigna. El uso de biorreactores de perfusión permite mantener un medio de cultivo celular constante que contiene los nutrientes necesarios para las células, así como la capacidad de eliminar los desechos metabólicos producidos por estas. El uso de sistemas de sensores de alta fidelidad permite que el proceso realice ajustes en tiempo real, de forma autónoma, para controlar los parámetros necesarios.
En un estudio de 2023 realizado por el Instituto Ponemon se informó que, en promedio, un único proceso fallido de escalado tiene un costo asociado para el fabricante de 740 000 dólares estadounidenses.
El otro gran desafío en la escalación de las operaciones de biorreactores es que los sistemas modulares de un solo uso mantienen una limitación material, común a la mayoría de los sistemas de biorreactores, de una capacidad de volumen de 2000 L. Para operaciones de biorreactores a escala ultra grande (capacidad de volumen superior a 15 000 L), los sistemas líderes siguen siendo los de acero inoxidable, independientemente de las limitaciones y cargas asociadas a los requisitos de validación de esterilización por vapor.
En resumen:
¿Cuáles son las ventajas de los biorreactores de un solo uso frente a los biorreactores de acero inoxidable?
Los biorreactores de un solo uso simplifican el proceso de tiempo de cambio, minimizan las oportunidades de contaminación y eliminan la necesidad de limpieza y esterilización, reduciendo así el tiempo de cambio hasta en un 40 %.
¿Qué parámetros críticos del proceso de biorreactor influyen en los biorreactores?
Para la calidad del producto, así como para las tasas de crecimiento celular y el rendimiento general, el pH, la temperatura, el oxígeno disuelto y la agitación son todos parámetros críticos del proceso. Es necesario un control riguroso de todos estos parámetros en la fabricación; por ejemplo, en los atributos de calidad de los anticuerpos monoclonales.
¿Cuál es la importancia de los sistemas de biorreactores de un solo uso?
Los sistemas de biorreactores de un solo uso, junto con los sistemas de procesamiento cerrado, ofrecen la máxima forma de control de esterilización, que constituye el aspecto más crucial de los biorreactores para prevenir la contaminación. La contaminación es la causa principal de los fallos en los biorreactores y, en última instancia, da lugar a incumplimientos normativos que provocan retiros del mercado.