Applications des bioreacteurs dans les principales modalités de biomédicaments
Production d’anticorps monoclonaux : production de protéines par des cellules CHO dans des bioreacteurs en acier inoxydable et des bioreacteurs à usage unique
La production à grande échelle d’anticorps monoclonaux (AcM) repose sur des bioréacteurs permettant de cultiver des cellules d’ovaire de hamster chinois (CHO) à l’échelle industrielle. Un système en acier inoxydable est capable de répondre aux exigences de grands volumes, tandis qu’un bioréacteur à usage unique simplifie la conception et évite les étapes longues de nettoyage et de stérilisation associées à l’utilisation de bioréacteurs, améliorant ainsi la rapidité de production par lot et réduisant jusqu’à 40 % les risques de contamination. Ces deux approches offrent un système hautement réactif pour le contrôle de l’alimentation en nutriments et de l’élimination des déchets, permettant d’atteindre des densités cellulaires supérieures à 20 millions de cellules/mL tout en préservant la qualité et en assurant des rendements d’anticorps constants. Les bioréacteurs produisant plus de 80 % des protéines thérapeutiques dérivées de cellules CHO dans un système par lots garantissent et maintiennent les attributs critiques de qualité (ACQ) ainsi que la constance des protéines thérapeutiques produites.
Fabrication de vaccins et de thérapies cellulaires : mise à l'échelle des vecteurs viraux et production biologique autologue/allogénique
Les bioréacteurs jouent un rôle essentiel dans la production des vecteurs viraux requis pour le développement des vaccins et soutiennent la production d'adénovirus et de lentivirus à des titres supérieurs à 10⁹ particules virales par millilitre. En outre, les bioréacteurs permettent les thérapies cellulaires en fournissant un milieu propice à la croissance et à l'expansion des lymphocytes T autologues dérivés du patient ainsi que des lignées cellulaires allogéniques « prêtes à l'emploi », tout en préservant la stabilité phénotypique et l'état cellulaire. Dans le développement des procédés et la fabrication de lignées cellulaires CAR-T classiques, les systèmes de bioréacteurs produisent des lots individuels dont la valeur dépasse 500 000 $, tandis qu'une conception en système fermé associée à des systèmes de contrôle de la perfusion réduit au minimum les risques de contamination croisée, assure un contrôle précis de la perfusion et permet aisément d'étendre la gamme d'échelles de 2 L à 2 000 L, tout en répondant aux exigences de stérilité de la FDA et des bonnes pratiques de fabrication (BPF) 300.
Éléments de commande rétractables et gestion en temps réel du bioréacteur
pH, température, oxygène dissous et agitation : Le rôle de chaque paramètre dans la prolifération cellulaire et la production
Le fonctionnement des bioréacteurs peut être évalué à l’aide de quatre paramètres distincts, à savoir le pH, la température, l’oxygène dissous (OD) et l’agitation. Chacun de ces paramètres présente des plages critiques bien définies. Des écarts de température supérieurs à ±0,5 °C par rapport à 37 °C peuvent réduire fortement les taux de croissance de 50 % et provoquer un stress cellulaire. Des déviations du pH hors de la plage optimale de 7,2 à 7,4 peuvent entraîner une perte de viabilité cellulaire supérieure à 30 % en raison de modifications métaboliques. L’oxygène dissous doit être maintenu entre 30 % et 60 % de saturation. Le fait de ne pas atteindre cette plage conduit à une hypoxie incontrôlable, susceptible d’entraver le métabolisme aérobie, tandis qu’un excès d’oxygène dissous peut provoquer un stress oxydatif et une perte cellulaire d’environ 25 %. L’agitation vise à assurer l’homogénéité au sein du bioréacteur ; toutefois, une agitation trop intense peut générer des contraintes de cisaillement excessives et perturber des lignées cellulaires fragiles. Ces quatre paramètres influencent directement la qualité des anticorps monoclonaux thérapeutiques, leurs profils de glycosylation ainsi que la formation d’agrégats. Un contrôle extrêmement rigoureux de ces paramètres est indispensable pour garantir la conformité aux normes relatives aux attributs critiques de qualité (ACQ).
Garantir la cohérence et la conformité aux lignes directrices de la FDA relatives aux CMC
Les bioréacteurs doivent utiliser des systèmes de commande modernes afin d’intégrer les quatre paramètres suivants — température, pH, concentration en oxygène dissous (DO) et agitation — avec des limites de contrôle définies dans une plage prédéterminée. Ce type de système de commande assure un contrôle en boucle fermée des éléments suivants :
Injection de CO₂ pour le contrôle du pH
Échangeurs thermiques pour le contrôle de la température
Mélange gazeux pour le contrôle de la concentration en oxygène dissous (DO)
Agitation réglable
L’utilisation d’un contrôle en boucle fermée garantit une cohérence des systèmes de bioréacteurs par lots avec une variabilité inférieure à 5 %, renforçant ainsi l’ensemble normalisé de contrôles CMC (Chimie, Fabrication et Contrôles) établi par la FDA. Les systèmes de commande intégrés aux bioréacteurs permettent l’emploi de systèmes d’enregistrement des données, essentiels pour la réglementation dans le domaine de la bioproduction et conférant au système de commande une capacité prédictive en matière de qualité. Les systèmes de commande sont renforcés par des signatures de contrôle métabolique, réduisant de 40 % les pertes dues aux écarts dans les systèmes de production certifiés selon les Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF).
Choix de la technologie et de la stérilité dans les systèmes de bioréacteurs évolutifs
Systèmes conçus avec des technologies SIP/CIP et des procédés soutenus/fermés permettant de réduire les risques de contamination
La garantie du fabricant concernant le caractère stérile du produit commence par l'assurance de la stérilité. Les systèmes SIP (« Sterilization In Place ») et CIP (« Cleaning In Place »), bien qu’ils permettent de décontaminer des bioréacteurs en acier inoxydable, sont très gourmands en ressources et laissent une marge importante d’erreurs. Selon une récente communication de la FDA (2023), la contamination et les rappels liés à celle-ci dans le domaine de la biopharmacie constituent la première cause de rappels de produits biologiques. Dans le secteur de la biopharmacie, le paradigme du « bioréacteur à usage unique », issu de l’innovation en matière de procédés biotechnologiques, repose sur des sacs flexibles, pré-stérilisés et jetables, éliminant ainsi les opérations SIP et CIP, tout en améliorant les délais de rotation et en réduisant jusqu’à 40 % le risque de contamination croisée. Lorsqu’ils sont utilisés conjointement avec un procédé « supporté/fermé », où les circuits fluides restent scellés du point d’inoculation au point de récolte, ils créent une barrière robuste et fiable contre la contamination, sans équivalent dans l’industrie. Les principaux fabricants du secteur biopharmaceutique ont signalé une réduction de 90 % des échecs de lots grâce à l’adoption de systèmes intégrés, fermés et à usage unique.
Principaux défis liés au passage à l’échelle des procédés de réacteurs biochimiques, du banc d’essai de 2 L à la production GMP de 20 000 L
Les défis associés au passage à l’échelle des opérations de bioréacteurs résultent d’un mélange de problèmes biologiques et d’ingénierie, parmi lesquels trois demeurent prépondérants :
1. Dégâts cellulaires dus aux contraintes de cisaillement : Avec un volume de liquide plus important, plus le récipient est volumineux, plus les forces de cisaillement générées lors du mélange sont prononcées. Cela peut endommager les cellules sensibles aux contraintes de cisaillement.
2. Transfert gazeux : En l’absence de techniques de brassage ou de transfert de masse optimisées, l’oxygène ne peut pas se diffuser dans le bioréacteur pour des volumes supérieurs à 1 000 L.
3. Paramètres de procédé liés à l’ingénierie : Des gradients de pH, de température et d’autres paramètres apparaissent dans le volume traité au sein du récipient du bioréacteur. Ces paramètres sont incohérents et non uniformes.
Respect des exigences réglementaires FDA relatives à la chimie, à la fabrication et au contrôle (CMC) à l’échelle commerciale : Plus l’échelle est grande, plus il devient difficile de satisfaire aux exigences de validation.
Le processus réussi de montée en échelle exige une compréhension approfondie à la fois des paramètres et, surtout, du comportement dynamique du procédé, et non pas simplement une connaissance des consignes. L’utilisation de bioréacteurs à perfusion permet de maintenir un milieu de culture cellulaire constant, contenant les nutriments nécessaires aux cellules ainsi que la capacité d’éliminer les déchets métaboliques produits par celles-ci. L’emploi de systèmes capteurs haute fidélité permet au procédé d’apporter, de façon autonome et en temps réel, les ajustements requis pour contrôler les paramètres essentiels.
Dans une étude menée en 2023 par l’Institut Ponemon, il a été rapporté qu’en moyenne, un seul échec de montée en échelle entraîne pour le fabricant un coût de 740 000 $ américains.
L'autre défi majeur lié à l'augmentation de l'échelle des opérations en bioréacteur réside dans le fait que les systèmes modulaires à usage unique présentent une limitation matérielle commune à la plupart des systèmes de bioréacteurs : une capacité volumétrique maximale de 2 000 L. Pour les opérations en bioréacteur à très grande échelle (capacité volumétrique supérieure à 15 000 L), les systèmes leaders restent ceux en acier inoxydable, malgré les contraintes et les charges liées aux exigences de validation de la stérilisation à la vapeur.
En bref :
Quels sont les avantages des bioréacteurs à usage unique par rapport aux bioréacteurs en acier inoxydable ?
Les bioréacteurs à usage unique simplifient le processus de temps de rotation, réduisent les risques de contamination et éliminent la nécessité de nettoyage et de stérilisation, permettant ainsi de réduire le temps de rotation jusqu'à 40 %.
Quels paramètres critiques du procédé en bioréacteur influencent les bioréacteurs ?
Pour la qualité du produit ainsi que les taux de croissance cellulaire et le rendement global, le pH, la température, l’oxygène dissous et l’agitation sont tous des paramètres critiques du procédé. Un contrôle rigoureux de chacun de ces paramètres est indispensable lors de la fabrication, par exemple pour garantir les attributs de qualité des anticorps monoclonaux.
Quelle est l’importance des systèmes de bioréacteurs à usage unique ?
Les systèmes de bioréacteurs à usage unique, associés à des systèmes de traitement fermés, offrent le plus haut niveau de maîtrise de la stérilisation, ce qui constitue l’aspect le plus crucial des bioréacteurs afin d’éviter toute contamination. La contamination est la cause principale des défaillances des bioréacteurs et conduit, en fin de compte, à une non-conformité réglementaire entraînant des rappels.