Parità prestazionale: i bioreattori monouso per colture cellulari stanno effettivamente riducendo il divario rispetto ai bioreattori in acciaio inossidabile per quanto riguarda i parametri critici di processo?
kLa, uniformità del mescolamento e controllo del processo in tempo reale su scala commerciale
Fornire ossigeno è essenziale per la vitalità cellulare. Il coefficiente volumetrico di trasferimento dell'ossigeno (kLa) ne fornisce una misura equivalente. I bioreattori in acciaio inossidabile raggiungono un valore di kLa superiore a 0,02 s⁻¹ su scala commerciale, con capacità di 20.000 L, grazie a sistemi di agitazione e diffusione progettati appositamente. I bioreattori monouso consentono il controllo volumetrico fino a 2.000 L. Questi ultimi utilizzano sacche pieghevoli e, oltre un certo punto, l’agitazione meccanica provoca il collasso della sacca. Ciò genera un gradiente di ossigeno che comporta una differenza superiore al 15% nella zona superiore del bioreattore. Alcuni altri miglioramenti nel controllo e nella stabilità nella progettazione del bioreattore — quali l’impiego di deflettori segmentati direzionali e di agitatori elicoidali — hanno permesso di ottenere una deviazione allo stato stazionario inferiore al 10%. Il controllo in tempo reale eguaglia il livello di controllo offerto dai bioreattori fissi, integrando il controllo del pH e quello dell’ossigeno disciolto con intervalli di regolazione di 2 secondi. Per colture ad altissima densità cellulare, superiori a 50 milioni di cellule/mL, il controllo fornito dai bioreattori in acciaio inossidabile, con regolazione variabile dell’ossigeno disciolto, rimane superiore.
Rischi relativi alla sicurezza dei materiali e alla compatibilità con i bioreattori per colture cellulari: sostanze migrabili ed estratti
I componenti dei bioreattori realizzati in plastica possono causare migrazione chimica nel mezzo di coltura. Sia le sostanze lisciviabili che quelle estrahibili possono migrare e accumularsi fino a raggiungere livelli citotossici. Un esempio di tale fenomeno è il bis(2-etilesil) ftalato (DEHP), un plastificante che, già alla concentrazione di soli 0,5 ppm, può provocare disfunzioni mitocondriali. Una situazione analoga si verifica con le sostanze lisciviabili ed estrahibili. Il Consiglio Internazionale per l’Armonizzazione (ICH) Q5A(R2) e la Farmacopea degli Stati Uniti (USP) <665> hanno stabilito un limite di esposizione ai carcinogeni noti pari a meno di o uguale a un microgrammo al giorno. Clinicamente, le sostanze lisciviabili ed estrahibili provocano una deriva del pH o un’inibizione della crescita in circa il 12% dei casi di adozione precoce. Meno del 36% delle prime generazioni di film multistrato dotati di uno strato barriera in etilene-vinil-alcol (EVOH) determina livelli di estrahibili inferiori al 78%. Recentemente, i fornitori hanno iniziato a introdurre test di invecchiamento per valutare l’integrità a lungo termine dei materiali, impiegando un invecchiamento accelerato di massimo 18 mesi. Gli studi esaustivi condotti per valutare l’entità delle sostanze lisciviabili ed estrahibili prolungano effettivamente lo sviluppo dei processi di 8-12 settimane, un intervallo di tempo non trascurabile per i programmi nella fase clinica.
Costo totale di proprietà: compromessi tra efficienza in termini di capitale e operatività per i bioreattori per colture cellulari
Quando si valutano i risparmi operativi e quelli iniziali, è possibile effettuare una valutazione accurata dei costi dei bioreattori per colture cellulari. Ciò risulta particolarmente evidente considerando i costi associati all’implementazione di bioreattori monouso rispetto a bioreattori a lotto. I costi transazionali legati ai sistemi non monouso in acciaio inossidabile possono superare i 10 milioni di dollari; i costi transazionali per i sistemi monouso non riutilizzabili sono invece significativamente inferiori. I costi a lungo termine associati ai sistemi operativi che compongono i sistemi monouso a lotto sono determinati dagli stessi fattori operativi.
Analisi del punto di pareggio: frequenza dei lotti, scala e tipo di prodotto determinano il vantaggio competitivo
I bioreattori monouso diventano la soluzione più conveniente dal punto di vista dei costi laddove venga data priorità alla flessibilità. Per terapie scalabili fino a ≤2.000 L con ≤12 lotti/anno, i sistemi monouso riducono il costo totale di proprietà (TCO) del 18–34%, eliminando la necessità di validare i cicli di pulizia in posto (CIP) e di sterilizzazione in posto (SIP), nonché riducendo i tempi di fermo (BioProcess International 2023). Prodotti ad alto valore, come gli anticorpi monoclonali, ottengono inoltre maggiori risparmi sui costi grazie ai rapidi passaggi da un prodotto all’altro e ai ritardi nelle campagne commerciali, che potrebbero essere associati al processo produttivo, diventano trascurabili.
Costi nascosti: validazione, CIP/SIP ad alto consumo energetico, gestione dei rifiuti e complessità della sterilizzazione
I sistemi monouso eliminano la necessità di sterilizzazione a vapore. Tuttavia, generano alcune specifiche voci di costo.
Validazione: i costi ricorrenti per i test di cessione/esportazione ammontano a 500.000–740.000 USD per piattaforma (Ponemon Institute, 2023)
Logistica dei rifiuti: il costo dello smaltimento della plastica utilizzata nello stabilimento è compreso tra 120 e 200 USD al m³, quasi 2,5 volte il costo di 80 USD/m³ per le acque reflue trattate.
Energia: ogni vasca in acciaio inossidabile viene utilizzata per un ciclo CIP/SIP e consuma 3,2 megawattora al mese, una quantità sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico di circa 300 abitazioni negli Stati Uniti.
Questi fattori spostano notevolmente il punto di pareggio. Per le aziende manifatturiere che effettuano da tempo una produzione di massa consistente e stabile, si tende a mantenere i sistemi in acciaio inossidabile, nonostante l’investimento iniziale/capitale più elevato, poiché tali sistemi offrono una combinazione di durata e prevedibilità nei costi recuperabili per un periodo superiore ai 15 anni.
Agilità operativa e sostenibilità: il valore strategico dei bioreattori monouso per la coltura cellulare
Cambio rapido, reattività nella fornitura clinica e riduzione del rischio di contaminazione incrociata
I bioreattori monouso aumentano l'efficienza operativa eliminando i tempi di attesa di giorni necessari per la convalida dei cicli di pulizia in posto (CIP) e sterilizzazione in posto (SIP), consentendo tempi di cambio rapido entro poche ore. La stessa agilità è richiesta anche nelle catene di approvvigionamento cliniche. Gli impianti oggetto dello studio hanno beneficiato di un'ulteriore efficienza, riuscendo ad avviare le campagne dal 30% al 50% più velocemente, con conseguente produzione di materiali abilitanti all’IND e preparazione più rapida dei trial di Fase I e II. Le perdite di lotti legate a contaminazioni nel sistema bioreattore sono state del 72% inferiori rispetto alla maggior parte dei sistemi bioreattori con complessi protocolli CIP/SIP. Questo sistema bioreattore è pre-sterilizzato, chiuso e dotato di percorsi fluidici condivisi. L'affidabilità dei bioreattori è cruciale, in particolare negli impianti multi-prodotto che gestiscono sia vettori virali sia anticorpi monoclonali (mAb) su infrastrutture condivise.
Impatto ambientale e resilienza della catena di approvvigionamento: logistica dello smaltimento e dipendenza dai polimeri
Rispetto ai bioreattori in acciaio inossidabile, i bioreattori monouso riducono la quantità di acqua (≤ 1.000 L/lotto) e il consumo energetico (≤ 65%) risparmiati nella progettazione eliminando la necessità di sterilizzazione, ma non migliorano la sostenibilità. Sebbene i rifiuti polimerici derivanti dai bioreattori per la produzione di farmaci biotecnologici rappresentino soltanto lo 0,002% dei rifiuti plastici globali annuali, contribuiscono comunque in misura significativa all’accumulo di polimeri nelle discariche e costituiscono una quota considerevole dei rifiuti solidi urbani. Alcuni recenti polimeri 'bio' a base di etilene (C2H4) presentano, con ottimismo, design modulari per sacche. I risultati in termini di sostenibilità non riflettono tanto la tecnologia impiegata, quanto piuttosto il modo in cui gli operatori ne determinano gli esiti.
Domande frequenti
Cos'è il kLa?
KLa (coefficiente volumetrico di trasferimento dell’ossigeno) indica la velocità dello scambio gassoso nella maggior parte delle soluzioni all’interno di un bioreattore, un processo che contribuisce al mantenimento della vitalità cellulare, in particolare nei sistemi più grandi basati su bioreattori in acciaio inossidabile.
Cos'è un leachable/extractable?
I leachable sono sostanze citotossiche che si diffondono nel mezzo di coltura durante il normale funzionamento, mentre gli extractable sono sostanze citotossiche rilasciate in condizioni anomale ed esasperate.
Quali sono i costi operativi dei bioreattori monouso rispetto ai bioreattori in acciaio?
I bioreattori monouso presentano costi iniziali notevolmente inferiori e risultano più efficienti dal punto di vista economico rispetto ai bioreattori in acciaio inossidabile per lotti su piccola scala e per i bioreattori necessari in operazioni continue. Tuttavia, i bioreattori monouso possono comportare costi legati ai rifiuti e costi di convalida.
Quali sono le considerazioni relative al fine vita dei bioreattori monouso e all’impatto ambientale?
I bioreattori monouso hanno un impatto ridotto sul consumo di acqua ed energia, ma i vincoli legati alla convenienza economica e all’accessibilità del riciclo di film medicali portano a sistemi bioreattori monouso con opzioni limitate per il fine vita e una sostenibilità ridotta.