Bioreaktorių taikymas pagrindinėse biologinės farmacijos srityse
Monokloninių antikūnų gamyba: CHO ląstelių pieno gamyba iš nerūdijančiojo plieno ir vienkartinio naudojimo bioreaktorių
Monoklonalių antikūnų (mAbs) masinė gamyba priklauso nuo bioreaktorių, kurie pramoniniu mastu auginamos kinų šunų kiaušidžių (CHO) ląsteles. Nerūdijančiojo plieno sistema gali atlaikyti didelius tūrius, o vienkartinio naudojimo bioreaktorių įrenginiai supaprastina projektavimą ir išvengia laiko reikalaujančių valymo bei sterilizavimo etapų, susijusių su bioreaktorių naudojimu, todėl padidėja partijos gamybos greitis ir sumažėja užteršimo rizika iki 40 %. Abi šios metodikos užtikrina labai reaktyvią sistemą maistinių medžiagų tiekimui ir šalutinių produktų kontrolėje, leisdamos pasiekti ląstelių tankį virš 20 milijonų ląstelių/mL ir išlaikyti aukštą, nuolatinę antikūnų išteklių kokybę. Bioreaktoriai, kurie gamina daugiau kaip 80 % CHO ląstelėse gautų terapinių baltymų partijų sistemoje, užtikrina ir palaiko kritines kokybės savybes (CQA) bei terapinių baltymų vientisumą.
Vakcinų ir ląstolinių terapijų gamyba: virusinių vektorių mastelio didinimas ir autologinių / alogeninių bioprodukcijos procesai
Bioreaktoriai yra esminės reikšmės vakcinų kūrimui reikalingų virusinių vektorių gamyboje ir palaiko adenovirusų bei lentivirusų gamybą su titrais virš 10⁹ virusinių dalelių mililitre. Be to, bioreaktoriai leidžia kurti ląstelines terapijas, teikdami aplinką autologinių, iš paciento gautų T limfocitų, taip pat alogeninių „paruoštų naudoti“ ląstelių linijų auginimui ir dauginimui, tuo pačiu išlaikydami fenotipinę stabilumą ir ląstelių būsenos pastovumą. Tradicinėse CAR-T ląstelių linijų technologinio proceso kūrimo ir gamybos srityse bioreaktorių sistemos, kurios užtikrina atskirų partijų vertę, viršijančią 500 000 JAV dolerių, o uždaros sistemos konstrukcija su perfuzijos valdymo sistemomis mažina kryžminės užteršties riziką, užtikrina perfuzijos kontrolę ir palengvina mastelio diapazono išplėtimą nuo 2 l iki 2000 l, tuo pačiu laikantis JAV maisto ir vaistų administracijos (FDA) bei cGMP300 steriliškumo reikalavimų.
Ištraukiamieji valdymo elementai ir realiuoju laiku vykdoma bioreaktorių valdymo sistema
pH, temperatūra, ištirpusio deguonies kiekis ir maišymas: kiekvieno parametro vaidmuo ląstelių dauginimuisi ir produkto gamybai
Bioreaktorių veikimą galima įvertinti naudojant keturis skirtingus parametrus: pH, temperatūrą, ištirpusį deguonį (DO) ir maišymą. Kiekvienam iš šių parametrų nustatyti kritiškai svarbūs ribos diapazonai. Temperatūros nuokrypiai daugiau nei ±0,5 °C nuo 37 °C gali smarkiai sumažinti ląstelių augimo greitį iki 50 % ir sukelti ląstelinį stresą. Nuokrypiai nuo optimalaus pH diapazono 7,2–7,4 gali sukelti daugiau nei 30 % ląstelių gyvybingumo praradimą dėl metabolinių pokyčių. Ištirpusio deguonies (DO) kiekis turi būti palaikomas tarp 30 % ir 60 % prisotinimo. Nepasiekus šio diapazono susidaro nevaldoma hipoksijos būklė, kuri gali sutrukdyti aerobiniam metabolizmui, o per didelis DO kiekis gali sukelti oksidacinį stresą ir apytiksliai 25 % ląstelių praradimą. Maišymas užtikrina vienodumą bioreaktoriuje, tačiau per stiprus maišymas gali sukelti pernelyg didelį šlyties stresą ir pažeisti trapias ląstelių linijas. Visi keturi parametrai tiesiogiai veikia terapinių monokloninių antikūnų kokybę, jų glikozilinimo modelius bei agregatų susidarymą. Siekiant užtikrinti atitiktį kritinėms kokybės charakteristikoms (CQA), šiuose parametruose reikia pasiekti itin aukštą valdymo laipsnį.
Užtikrinama nuoseklumas ir atitiktis FDA CMC (chemijos, gamybos ir kontrolės) gairėms
Bioreaktoriai privalo naudoti šiuolaikiškas valdymo sistemas, kurios integruoja keturis parametrus – temperatūrą, pH, tirpę deguonį (DO) ir maišymą – su valdymo ribomis, nustatytomis tam tikroje numatytoje riboje. Tokio tipo valdymo sistema užtikrina uždaros kilpos valdymą:
CO₂ dujų įpurškimas pH valdymui
Šilumos mainytuvai temperatūros valdymui
Dujų maišymas tirpmaus deguonies (DO) valdymui
Reguliuojamas maišymas
Uždaros kilpos valdymo sistema užtikrina bioreaktorių serijų nuoseklumą su mažesniu nei 5 % kintamumu, taip pat stiprina standartinę FDA nustatytą CMC (chemijos, gamybos ir kontrolės) valdymo sistemą. Bioreaktoriuose integruotos valdymo sistemos leidžia naudoti duomenų registravimo sistemas, kurios yra būtinos biologinės gamybos reguliavimui ir suteikia valdymo sistemai prognozinį kokybės lygį. Valdymo sistemas papildo metabolinės valdymo charakteristikos, kurios Gerosios gamybos praktikos (GMP) sertifikuotose gamybos sistemose sumažina nuokrypių sąlygotą nuostolį 40 %.
Technologijų ir steriliškumo pasirinkimas mastelio keitimo bioreaktorių sistemose
Sistemos, sukurtos naudojant SIP/CIP technologijas ir palaikančios/uždarosios apdorojimo technologijos, kurios sumažina užterštumą
Gamintojo garantija dėl sterilio produkto prasideda nuo steriliškumo užtikrinimo. SIP ir CIP sistemos, nors ir geba dezinfekuoti nerūdijančiojo plieno bioreaktorius, yra labai išteklių reikalaujančios ir palieka daug vietos įvairiems klaidų šaltiniams. Nesenos JAV Maisto ir vaistų administracijos (FDA, 2023 m.) komunikacijos minima, kad biologinių vaistų gamybos atšaukimų pagrindinė priežastis yra užterštumas ir dėl užterštumo sukelti atšaukimai biologinėje farmacijoje. Biologinėje farmacijoje „vienkartinių naudojimui skirtų bioreaktorių“ bioprocesavimo paradigma, kurią sukūrė lankstūs, iš anksto sterilizuoti ir vienkartiniai maišai, pašalina SIP ir CIP sistemas, tuo pat metu sutrumpindama ciklo trukmę ir sumažindama kryžminio užterštumo riziką net iki 40 %. Kai tokios sistemos naudojamos kartu su papildomais / uždaraisiais procesavimo metodais, kai skysčių srauto kelias hermetiškai užsandarinamas nuo inokuliacijos iki derliaus nuėmimo taško, sukuriamas tvirtas ir saugus užterštumo barjeras, kuris neturi lygių pramonėje. Pagrindiniai biologinės farmacijos gamintojai pranešė apie 90 % mažesnį partijų nesėkmių skaičių, įdiegę integruotas, uždaras ir vienkartinio naudojimo sistemas.
Pagrindiniai iššūkiai didinant biocheminių reaktorių procesų mastą nuo 2 L laboratorinio įrenginio iki 20 000 L GMP gamybos
Bioreaktorių veiklos mastelio didinimo iššūkiai yra biologinių ir inžinerinių problemų derinys, kurių trys išlieka pagrindinės:
1. Ląstelių pažeidimas dėl šlyties įtempio: didesnio skysčio tūrio ir didesnio indo atveju maišymo metu šlyties jėgos tampa ryškesnės. Tai gali pažeisti ląsteles, jautrias šlyties jėgoms.
2. Dujų pernaša: be optimizuoto dujų įpurškimo ar masės pernašos technologijų naudojimo, deguonis negali difunduoti į bioreaktorių, kai jo tūris viršija 1000 L.
3. Inžineriniai procesiniai parametrai: bioreaktoriaus inde apdorojamo tūrio viduje susidaro pH, temperatūros ir kitų gradientų skirtumai. Šie parametrai yra nestabilūs ir netolygūs.
Atitikimas komercinio masto JAV maisto ir vaistų administracijos (FDA) chemijos, gamybos ir kontrolės (CMC) reikalavimams: kuo didesnis mastas, tuo sudėtingesnė tampa atitikties patvirtinimo reikalavimams užtikrinimo užduotis.
Sėkmingas mastelio padidinimo procesas reikalauja gilios abiejų parametrų, o svarbiausia – proceso dinaminio elgesio supratimo, o ne tik nustatytųjų verčių supratimo. Perfuozinių bioreaktorių naudojimas leidžia procesui palaikyti nuolatinę ląstelių kultūros terpę, kurioje yra ląstelėms reikalingų maistinių medžiagų, taip pat leidžia pašalinti ląstelėmis sukuriamas metabolines atliekas. Aukštos tikslumo jutiklių sistemų naudojimas leidžia procesui realiuoju laiku autonomiškai keisti būtinus parametrus.
2023 m. Ponemono instituto atliktoje studijoje buvo pranešta, kad vieno nesėkmingo mastelio padidinimo proceso sąnaudos gamintojui vidutiniškai siekia 740 000 JAV dolerių.
Kitas pagrindinis iššūkis, didinant bioreaktorių veiklos mastą, yra tai, kad modulinės vienkartinės naudojimo sistemos išlaiko medžiagų apribojimą, būdingą daugumai bioreaktorių sistemų – 2000 litrų talpos ribą. Ultra didelio masto bioreaktorių veiklai (daugiau nei 15 000 litrų talpos) lyderėmis vis dar yra nerūdijančiojo plieno sistemos, nepaisant jų trūkumų ir garinės sterilizacijos patvirtinimo reikalavimų sukeltų naštos.
Trumpai tariant:
Kokie yra vienkartinės naudojimo bioreaktorių privalumai palyginti su nerūdijančiojo plieno bioreaktoriais?
Vienkartinės naudojimo bioreaktorius supaprastina ciklo laiko procesą, sumažina užterštumo riziką ir pašalina reikiamybę valyti bei sterilizuoti, tuo pačiu sutrumpindamos ciklo laiką net iki 40 %.
Kokie kritiniai bioreaktorių proceso parametrai įtakoja bioreaktorius?
Produkto kokybei, ląstelių augimo greičiui ir bendram išeigai pH, temperatūra, ištirpusio deguonies kiekis bei maišymas yra visi kritiniai procesų parametrai. Visų šių parametrų tikslus valdymas yra būtinas gamyboje, pavyzdžiui, monokloninių antikūnų kokybės charakteristikoms užtikrinti.
Kokia yra vienkartinės naudos bioreaktorių sistemų reikšmė?
Vienkartinės naudos bioreaktorių sistemos kartu su uždaromis perdirbimo sistemomis užtikrina aukščiausios kokybės sterilizacijos kontrolę, kuri yra svarbiausias bioreaktorių aspektas, siekiant išvengti užteršimo. Užteršimas yra pagrindinė bioreaktorių gedimų priežastis ir galiausiai sukelia reglamentinį neatitikimą, kuris gali baigtis produktų atšaukimu.