بیوراکتور چیست و چگونه تولید مدرن داروهای زیستی را پیش می‌برد؟

کاربردهای بیوراکتور در اشکال اصلی بیوفارماسوئوتیکال

تولید آنتی‌بادی‌های تک‌تیره: تولید شیر (Milk production) توسط سلول‌های CHO در بیوراکتورهای فولاد ضدزنگ و بیوراکتورهای تک‌باری

تولید انبوه آنتی‌بادی‌های تک‌کلونی (mAbs) به بیوراکتورهایی متکی است که سلول‌های تخمدان همستر چینی (CHO) را در مقیاس صنعتی رشد می‌دهند. سیستم فولاد ضدزنگ قادر به تحمل نیازهای حجم بالا است، در حالی که بیوراکتورهای تک‌بار مصرف، طراحی را ساده‌تر می‌کنند و از انجام مراحل زمان‌بر تمیزکاری و استریل‌سازی در استفاده از بیوراکتور جلوگیری می‌کنند؛ بنابراین سرعت تولید دفعه‌ای را افزایش داده و خطر آلودگی را تا ۴۰٪ کاهش می‌دهند. هر دو رویکرد فوق سیستمی بسیار پاسخگو برای کنترل تغذیه و دفع مواد زائد فراهم می‌کنند که امکان دستیابی به تراکم سلولی بیش از ۲۰ میلیون سلول در میلی‌لیتر را فراهم می‌سازد و بازده آنتی‌بادی با کیفیت و یکنواخت را حفظ می‌کند. بیوراکتورهایی که بیش از ۸۰٪ پروتئین‌های درمانی مشتق‌شده از سلول‌های CHO را در یک سیستم دفعه‌ای تولید می‌کنند، ویژگی‌های کیفی حیاتی (CQA) و یکنواختی پروتئین‌های درمانی تولیدشده را تأمین و حفظ می‌نمایند.

تولید واکسن و درمان‌های سلولی: مقیاس‌بندی بردارهای ویروسی و تولید زیستی خودگردان/غیرخودگردان

بیوراکتورها نقشی حیاتی در تولید بردارهای ویروسی مورد نیاز برای توسعه واکسن‌ها ایفا می‌کنند و تولید آدنوویروس‌ها و لنتوویروس‌ها را در غلظتی بیش از ۱۰⁹ ذره ویروسی در هر میلی‌لیتر پشتیبانی می‌نمایند. علاوه بر این، بیوراکتورها امکان انجام درمان‌های سلولی را فراهم می‌سازند، زیرا محیط مناسبی برای رشد و گسترش سلول‌های T مشتق‌شده از بیمار (خودگردان) و همچنین خطوط سلولی غیرخودگردان «آماده به کار» فراهم می‌کنند، در حالی که ثبات فنوتیپی و وضعیت سلولی نیز حفظ می‌شود. در توسعه فرآیند و تولید خطوط سلولی سنتی CAR-T، سیستم‌های بیوراکتور قادرند دسته‌هایی تولید کنند که ارزش هر یک از آن‌ها از ۵۰۰٬۰۰۰ دلار آمریکا فراتر می‌رود؛ در عین حال، طراحی بسته سیستم‌ها همراه با سیستم‌های کنترل پرفوزیون، خطرات آلودگی متقابل را به حداقل می‌رساند، کنترل پرفوزیون را تضمین می‌کند و گسترش محدوده مقیاس‌گذاری را از ۲ لیتر تا ۲٬۰۰۰ لیتر را به‌راحتی امکان‌پذیر می‌سازد و در عین حال الزامات استریلیتی FDA و cGMP300 را نیز برآورده می‌کند.

عناصر کنترلی قابل جمع‌شدن و مدیریت زیست‌واکسن در زمان واقعی

pH، دما، اکسیژن محلول و هم‌زدن: نقش هر یک از این پارامترها در تکثیر سلولی و خروجی محصول

عملکرد بیوراکتورها را می‌توان با استفاده از چهار پارامتر مجزا، یعنی pH، دما، اکسیژن محلول (DO) و هم‌زنی، ارزیابی کرد. هر یک از این پارامترها دارای محدوده‌های به‌طور حیاتی تعریف‌شده‌ای است. انحراف دما بیش از ±۰٫۵ درجه سانتی‌گراد از ۳۷ درجه سانتی‌گراد می‌تواند نرخ رشد را به‌طور شدیدی تا ۵۰ درصد کاهش داده و باعث استرس سلولی شود. تغییرات pH از محدوده بهینه ۷٫۲ تا ۷٫۴ می‌تواند منجر به از دست‌رفتن زنده‌ماندن سلول‌ها بیش از ۳۰ درصد شود، زیرا این تغییرات باعث جابجایی‌های متابولیکی می‌شوند. اکسیژن محلول باید در محدوده اشباع ۳۰ تا ۶۰ درصد نگه داشته شود. عدم دستیابی به این محدوده منجر به شرایط غیرقابل کنترل هیپوکسی می‌شود که می‌تواند متابولیسم هوازی را مختل کند؛ در عین حال، افزایش بیش از حد DO می‌تواند باعث استرس اکسیداتیو و از دست‌رفتن سلول‌ها تا حدود ۲۵ درصد شود. هم‌زنی برای تضمین یکنواختی در بیوراکتور عمل می‌کند، اما درجه بالایی از هم‌زنی می‌تواند منجر به ایجاد تنش برشی بیش از حد و اختلال در خطوط سلولی شکننده شود. تمام این چهار پارامتر به‌طور مستقیم بر کیفیت آنتی‌بادی‌های درمانی مونوکلونال و الگوهای گلیکوزیلاسیون و تشکیل آگرگات‌های آن‌ها تأثیر می‌گذارند. برای اطمینان از انطباق با استانداردهای ویژگی‌های حیاتی کیفی (CQA)، کنترل بسیار دقیق بر این پارامترها ضروری است.

تأمین سازگاری و انطباق با دستورالعمل‌های FDA در زمینهٔ CMC

باید از سیستم‌های کنترل مدرن در بیوراکتورها استفاده شود تا چهار پارامتر دما، pH، غلظت اکسیژن محلول (DO) و هم‌زنی را با محدودیت‌های کنترلی در محدوده‌ای از پیش تعیین‌شده ادغام نماید. این نوع سیستم کنترل، کنترل حلقه‌بسته را برای موارد زیر تضمین می‌کند:

تزریق CO₂ برای کنترل pH

مبادله‌کننده‌های حرارتی برای کنترل دما

ترکیب گازها برای کنترل غلظت اکسیژن محلول (DO)

هم‌زنی قابل تنظیم

استفاده از کنترل حلقه‌بسته، سازگاری سیستم‌های بیوراکتور دسته‌ای را تا کمتر از ۵٪ تغییرپذیری تضمین می‌کند و مجموعهٔ استاندارد کنترل CMC (شیمی، تولید و کنترل‌ها) را که توسط FDA تعیین شده است، تقویت می‌نماید. سیستم‌های کنترل ادغام‌شده در بیوراکتورها امکان استفاده از سیستم‌های ثبت داده‌ها را فراهم می‌سازند که از اهمیت بالایی در نظارت بر تولید زیستی برخوردارند و به سیستم کنترل ویژگی کیفیت پیش‌بینی‌شونده‌ای می‌بخشند. سیستم‌های کنترل با امضاهای کنترل متابولیک تقویت می‌شوند و از اتلاف ناشی از انحرافات تا ۴۰٪ در سیستم‌های تولیدی دارای گواهی GMP (شرایط تولید دارویی خوب) کاسته می‌شود.

انتخاب فناوری و استریلیته در سیستم‌های بیوراکتور مقیاس‌پذیر

سیستم‌هایی که با فناوری‌های SIP/CIP ساخته شده‌اند و پردازش‌های پشتیبان/بسته را ارائه می‌دهند تا آلودگی را کاهش دهند

ضمانت تولیدکننده برای محصول استریل از تضمین استریل بودن آغاز می‌شود. سیستم‌های SIP و CIP، هرچند قادر به ضدعفونی راکتورهای زیستی فولاد ضدزنگ هستند، اما بسیار منابع‌بر و عامل احتمال بروز خطاهای متعددی می‌باشند. در اطلاعیه اخیر اداره غذا و داروی آمریکا (FDA) در سال ۲۰۲۳، آلودگی و بازپس‌گیری‌های ناشی از آلودگی در صنعت زیست‌داروها را به‌عنوان مهم‌ترین دلیل بازپس‌گیری تولیدات زیستی ذکر کرده است. در صنعت زیست‌داروها، پارادایم «راکتور زیستی تک‌بار مصرف» در فرآیند زیستی، که با استفاده از کیسه‌های انعطاف‌پذیر، پیش‌استریل‌شده و یک‌بار مصرف ابداع شده است، نیاز به SIP و CIP را حذف کرده و زمان چرخه تولید را بهبود بخشیده و خطر آلودگی متقابل را تا ۴۰٪ کاهش می‌دهد. هنگامی که این سیستم‌ها همراه با فرآیندهای پشتیبان/بسته استفاده شوند—که در آن مسیرهای جریان مایع از نقطه تلقیح تا نقطه برداشت به‌طور کامل در بسته‌بندی قرار می‌گیرند—سده‌ای قوی و امن در برابر آلودگی ایجاد می‌شود که بی‌نظیرترین نوع آن در این صنعت محسوب می‌گردد. تولیدکنندگان پیشرو در صنعت زیست‌داروها گزارش داده‌اند که با اتخاذ سیستم‌های یکپارچه، بسته و تک‌بار مصرف، نرخ شکست دسته‌ها ۹۰٪ کاهش یافته است.

چالش‌های کلیدی در مقیاس‌بندی فرآیندهای راکتور بیوشیمیایی از سطح آزمایشگاهی ۲ لیتری تا تولید تجاری با استاندارد GMP در حجم ۲۰٬۰۰۰ لیتر

چالش‌های مقیاس‌بندی عملیات راکتورهای زیستی ترکیبی از مسائل زیستی و مهندسی هستند که سه مورد از آن‌ها به‌عنوان اصلی‌ترین چالش‌ها باقی مانده‌اند:

۱. آسیب سلولی ناشی از تنش برشی: با افزایش حجم مایع و در نتیجه بزرگ‌تر شدن ظرف، نیروهای برشی ایجادشده در حین اختلاط به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابند. این امر می‌تواند منجر به آسیب‌دیدن سلول‌های حساس به نیروهای برشی شود.
۲. انتقال گاز: بدون استفاده از فناوری‌های پخش بهینه‌شده (sparging) یا انتقال جرم، اکسیژن نمی‌تواند در ظرف‌هایی با حجم بیش از ۱٬۰۰۰ لیتر به‌صورت کافی به داخل راکتور زیستی نفوذ کند.
۳. پارامترهای فرآیندی مهندسی: گرادیان‌هایی از pH، دما و سایر پارامترها در سرتاسر حجم پردازش‌شده در ظرف راکتور زیستی ایجاد می‌شوند. این پارامترها ناهمگن و نامنظم هستند.

برآورده‌سازی الزامات FDA در زمینهٔ کیفیت، ساخت و کنترل (CMC) در مقیاس تجاری: هرچه مقیاس تولید بزرگ‌تر شود، تحقق الزامات اعتبارسنجی نیز دشوارتر می‌گردد.

فرآیند موفق گسترش مقیاس نیازمند درک عمیقی از هر دو پارامتر و به‌ویژه رفتار پویای فرآیند است، نه صرفاً درکی از مقادیر تنظیم‌شده (Setpoints). استفاده از بیوراکتورهای پرفوزیون امکان حفظ محیط کشت سلولی پایداری را فراهم می‌کند که هم مواد مغذی لازم برای سلول‌ها را شامل می‌شود و هم قابلیت حذف ضایعات متابولیک تولیدشده توسط سلول‌ها را دارد. استفاده از سیستم‌های حسگر با وفاداری بالا این امکان را فراهم می‌کند که فرآیند به‌صورت خودکار و در زمان واقعی تغییرات لازم را در پارامترهای مورد نیاز اعمال کند.

در یک مطالعهٔ انجام‌شده در سال ۲۰۲۳ توسط مؤسسهٔ پونئوم، گزارش شده است که متوسط هزینهٔ ناشی از شکست یک فرآیند گسترش مقیاس، برای تولیدکننده معادل ۷۴۰۰۰۰ دلار آمریکا است.

چالش دیگر اصلی در مقیاس‌بندی عملیات بیوراکتور این است که سیستم‌های ماژولار تک‌باره، محدودیت مادی اکثر سیستم‌های بیوراکتور را در ظرفیت حجمی ۲۰۰۰ لیتر حفظ می‌کنند. برای عملیات بیوراکتور با مقیاس بسیار بزرگ (ظرفیت حجمی بیش از ۱۵۰۰۰ لیتر)، سیستم‌های پیشرو همچنان سیستم‌های فولاد ضدزنگ هستند، صرف‌نظر از محدودیت‌ها و بارهای ناشی از الزامات اعتبارسنجی استریل‌سازی با بخار.

به طور خلاصه:

مزایای بیوراکتورهای تک‌باره نسبت به بیوراکتورهای فولاد ضدزنگ چیست؟

بیوراکتورهای تک‌باره فرآیند زمان چرخه‌گردانی (turnaround time) را ساده‌تر می‌کنند، فرصت‌های آلودگی را به حداقل می‌رسانند و نیاز به شستشو و استریل‌سازی را حذف می‌کنند؛ که همه این موارد منجر به کاهش زمان چرخه‌گردانی تا ۴۰٪ می‌شود.

کدام پارامترهای حیاتی فرآیند بیوراکتور بر عملکرد بیوراکتورها تأثیر می‌گذارند؟

برای کیفیت محصول، نرخ‌های رشد سلولی و بازده کلی، pH، دما، اکسیژن محلول و هم‌زنی همه پارامترهای فرآیندی حیاتی هستند. کنترل دقیق تمام این پارامترها در تولید ضروری است؛ به‌عنوان مثال، ویژگی‌های کیفی آنتی‌بادی‌های تک‌کلونی.

اهمیت سیستم‌های بیوراکتور تک‌بار مصرف چیست؟

سیستم‌های بیوراکتور تک‌بار مصرف، همراه با سیستم‌های فرآورش بسته، بالاترین سطح کنترل استریل‌سازی را فراهم می‌کنند که مهم‌ترین جنبه بیوراکتورها برای جلوگیری از آلودگی محسوب می‌شود. آلودگی عامل اصلی شکست بیوراکتورها و در نهایت عدم انطباق با مقررات منجر به بازپس‌گیری محصولات است.