Applicazioni dei biorreatori nelle principali modalità biopharmaceutiche
Produzione di anticorpi monoclonali: produzione di "latte" da cellule CHO in biorreatori in acciaio inossidabile e monouso
La produzione su larga scala di anticorpi monoclonali (mAb) si basa su bioreattori che coltivano cellule di ovaio di criceto cinese (CHO) su scala industriale. Un sistema in acciaio inossidabile è in grado di soddisfare le elevate esigenze di volume, mentre i bioreattori monouso semplificano la progettazione ed evitano le fasi di pulizia e sterilizzazione, lunghe e dispendiose in termini di tempo, associate all’uso dei bioreattori, migliorando così la velocità della produzione per lotti e riducendo il rischio di contaminazione fino al 40%. Entrambe queste soluzioni forniscono un sistema altamente reattivo per il controllo dell’alimentazione dei nutrienti e della gestione dei rifiuti, consentendo densità cellulari superiori a 20 milioni di cellule/mL e garantendo qualità e resa costante di anticorpi. I bioreattori che producono oltre l’80% delle proteine terapeutiche derivate da cellule CHO in un sistema batch per batch forniscono e mantengono gli attributi critici di qualità (CQA) e la coerenza delle proteine terapeutiche prodotte.
Produzione di vaccini e terapie cellulari: Scalatura di vettori virali e produzione biologica autologa/allogena
I bioreattori svolgono un ruolo fondamentale nella produzione dei vettori virali necessari per lo sviluppo dei vaccini e supportano la produzione di adenovirus e lentivirus a titoli superiori a 10⁹ particelle virali per millilitro. Inoltre, i bioreattori abilitano le terapie cellulari fornendo un mezzo per coltivare ed espandere sia linfociti T autologhi derivati dal paziente sia linee cellulari allogene «pronte all’uso», mantenendo nel contempo la stabilità fenotipica e dello stato cellulare. Nello sviluppo di processo e nella produzione di linee tradizionali di cellule CAR-T, i sistemi bioreattori forniscono lotti individuali il cui valore supera i 500.000 dollari, mentre la progettazione a sistema chiuso con sistemi di controllo della perfusione riduce al minimo i rischi di contaminazione incrociata, garantisce il controllo della perfusione e consente agevolmente l’estensione dell’intervallo di scala da 2 L a 2.000 L, soddisfacendo nel contempo i requisiti FDA e cGMP300 in materia di sterilità.
Elementi di controllo retrattili e gestione in tempo reale del bioreattore
pH, temperatura, ossigeno disciolto e agitazione: Il ruolo di ciascun parametro nella proliferazione cellulare e nella produzione del prodotto
Il funzionamento dei bioreattori può essere valutato mediante quattro parametri distinti: pH, temperatura, ossigeno disciolto (DO) e agitazione. Ciascuno di questi parametri presenta intervalli criticamente definiti. Deviazioni della temperatura superiori a ±0,5 °C rispetto ai 37 °C possono ridurre drasticamente i tassi di crescita del 50% e causare stress cellulare. Variazioni del pH al di fuori dell’intervallo ottimale 7,2–7,4 possono determinare una perdita di vitalità cellulare superiore al 30% a causa di alterazioni metaboliche. Il DO deve essere mantenuto tra il 30% e il 60% di saturazione. Il mancato raggiungimento di tale intervallo provoca una condizione di ipossia incontrollabile, che può ostacolare il metabolismo aerobico, mentre un eccesso di DO può causare stress ossidativo e una perdita cellulare pari a circa il 25%. L’agitazione serve a garantire l’uniformità all’interno del bioreattore; tuttavia, un’elevata intensità di agitazione può generare un’eccessiva sollecitazione da taglio e provocare la rottura di linee cellulari particolarmente fragili. Tutti e quattro i parametri influenzano direttamente la qualità degli anticorpi monoclonali terapeutici, i loro profili di glicosilazione e la formazione di aggregati. È necessario esercitare un controllo estremamente rigoroso su tali parametri per garantire la conformità agli standard degli Attributi Critici di Qualità (CQA).
Garantire coerenza e conformità alle linee guida FDA CMC
I bioreattori devono impiegare sistemi di controllo moderni per integrare i quattro parametri di temperatura, pH, DO (ossigeno disciolto) e agitazione, entro limiti di controllo predefiniti. Questo tipo di sistema di controllo garantisce un controllo a ciclo chiuso di:
Spargimento di CO₂ per il controllo del pH
Scambiatori di calore per il controllo della temperatura
Miscelazione di gas per il controllo del DO
Agitazione regolabile
L’uso del controllo a ciclo chiuso garantisce una coerenza dei sistemi di bioreattori per lotto con una variabilità inferiore al 5%, rafforzando lo standard CMC (Chimica, Produzione e Controllo) stabilito dalla FDA. I sistemi di controllo integrati nei bioreattori consentono l’impiego di sistemi di registrazione dati, fondamentali per la conformità normativa nella bioproduzione e in grado di conferire al sistema di controllo una capacità predittiva della qualità. I sistemi di controllo sono potenziati da firme metaboliche di controllo, che riducono le perdite dovute a scostamenti del 40% nei sistemi produttivi certificati secondo le Buone Pratiche di Produzione (GMP).
Scelta della tecnologia e della sterilità nei sistemi di bioreattori scalabili
Sistemi costruiti con tecnologie SIP/CIP e processi supportati/chiusi per ridurre il rischio di contaminazione
La garanzia del produttore relativa al prodotto sterile inizia con l'assicurazione della sterilità. I sistemi SIP (Sterilizzazione in situ) e CIP (Pulizia in situ), sebbene in grado di decontaminare i bioreattori in acciaio inossidabile, richiedono un elevato impiego di risorse e lasciano ampio spazio a numerosi errori. Una recente comunicazione della FDA (2023) indica la contaminazione e i relativi richiami come la principale causa di ritiri dal mercato di prodotti biologici nel settore della biofarmaceutica. Nel campo della biofarmaceutica, il paradigma del «bioreattore monouso» nell’ambito della lavorazione biotecnologica, innovato mediante sacche flessibili, pre-sterilizzate e monouso, elimina la necessità di procedure SIP e CIP, migliorando i tempi di turnaround e riducendo fino al 40% il rischio di contaminazione incrociata. Quando tali sistemi vengono utilizzati insieme a processi supportati/chiusi, nei quali i percorsi dei fluidi rimangono sigillati dal punto di inoculazione fino al punto di raccolta, si crea una barriera robusta e sicura contro la contaminazione, senza eguali nel settore. I principali produttori nel campo della biofarmaceutica hanno riportato una riduzione del 90% dei fallimenti di lotto grazie all’adozione di sistemi integrati, chiusi e monouso.
Principali sfide nella scalatura dei processi di reattori biochimici da 2 L su banco a 20.000 L per la produzione conforme ai requisiti GMP
Le sfide legate alla scalatura delle operazioni di bioreattore rappresentano un insieme di problemi biologici e ingegneristici, tra cui tre rimangono fondamentali:
1. Danno cellulare indotto da sollecitazione di taglio: con un volume maggiore di liquido, aumentando le dimensioni del recipiente, le forze di taglio generate durante la miscelazione diventano più intense. Ciò può danneggiare cellule sensibili alle sollecitazioni di taglio.
2. Trasferimento di gas: in assenza di tecnologie di spargimento ottimizzate o di trasferimento di massa, l’ossigeno non riesce a diffondersi nel bioreattore in volumi superiori a 1.000 L.
3. Parametri di processo ingegneristici: nel volume trattato all’interno di un recipiente per bioreattore si generano gradienti di pH, temperatura e altri parametri. Tali parametri risultano inconsistenti e non uniformi.
Rispetto dei requisiti FDA CMC per la scala commerciale: all’aumentare della scala, diventa sempre più difficile soddisfare i requisiti di convalida.
Il processo di ampliamento su scala industriale di successo richiede una comprensione approfondita sia dei parametri sia, soprattutto, del comportamento dinamico del processo, e non semplicemente una conoscenza dei valori di riferimento (setpoint). L’impiego di bioreattori a perfusione consente di mantenere un mezzo di coltura cellulare costante, contenente i nutrienti necessari alle cellule nonché la capacità di rimuovere i prodotti di scarto metabolici generati dalle cellule. L’uso di sistemi sensoriali ad alta fedeltà permette al processo di apportare modifiche in tempo reale, in maniera autonoma, per controllare i parametri necessari.
In uno studio del 2023 condotto dall’Istituto Ponemon è stato riportato che, in media, un singolo fallimento nel processo di ampliamento su scala industriale comporta per il produttore un costo pari a 740.000 dollari statunitensi.
L'altro principale ostacolo alla scala delle operazioni dei bioreattori è che i sistemi modulari monouso presentano un limite materiale comune alla maggior parte dei sistemi bioreattoriali, pari a una capacità volumetrica di 2.000 L. Per le operazioni ultra-large-scale di bioreattori (capacità volumetrica superiore a 15.000 L), i sistemi leader rimangono ancora quelli in acciaio inossidabile, nonostante i limiti e gli oneri connessi ai requisiti di convalida della sterilizzazione a vapore.
In breve:
Quali sono i vantaggi dei bioreattori monouso rispetto ai bioreattori in acciaio inossidabile?
I bioreattori monouso semplificano il processo di tempo di riavvio, riducono al minimo le opportunità di contaminazione ed eliminano la necessità di pulizia e sterilizzazione, riducendo complessivamente il tempo di riavvio fino al 40%.
Quali parametri critici del processo bioreattoriale influenzano i bioreattori?
Per la qualità del prodotto, nonché per i tassi di crescita cellulare e il rendimento complessivo, pH, temperatura, ossigeno disciolto e agitazione sono tutti parametri di processo critici. È necessario un controllo rigoroso di tutti questi parametri nella produzione, ad esempio per garantire gli attributi di qualità degli anticorpi monoclonali.
Qual è il significato dei sistemi di bioreattori monouso?
I sistemi di bioreattori monouso, insieme ai sistemi di lavorazione chiusi, forniscono la massima forma di controllo della sterilizzazione, che rappresenta l’aspetto più cruciale dei bioreattori per prevenire la contaminazione. La contaminazione è la causa principale dei guasti dei bioreattori e, in ultima analisi, determina la mancata conformità normativa, con conseguenti richiami.