Toepassingen van bioreactoren in belangrijke biopharmaceutische modaliteiten
Productie van monoklonale antilichamen: productie van ‘melk’ door CHO-cellen in roestvrijstalen en single-use-bioreactoren
De massaproductie van monoklonale antilichamen (mAbs) is afhankelijk van bioreactoren die Chinese Hamster Ovary-cellen (CHO-cellen) op industriële schaal kweken. Een roestvrijstalen systeem kan de grote volumeeisen aan, terwijl een single-use-bioreactorinstallatie het ontwerp vereenvoudigt en de tijdrovende reinigings- en sterilisatiestappen bij het gebruik van bioreactoren vermijdt, waardoor de productiesnelheid per batch wordt verbeterd en het besmettingsrisico met wel 40% wordt verlaagd. Beide benaderingen bieden een zeer responsief systeem voor de regeling van voedingsstoffentoevoer en afvalbeheer, wat celconcentraties van meer dan 20 miljoen cellen/mL mogelijk maakt en tegelijkertijd de kwaliteit en consistentie van de antilichaamopbrengst waarborgt. Bioreactoren die meer dan 80% van de door CHO-cellen geproduceerde therapeutische eiwitten in een batch-naar-batch-systeem produceren, zorgen voor en behouden essentiële kwaliteitskenmerken (CQA) en consistentie van de geproduceerde therapeutische eiwitten.
Productie van vaccins en celtherapieën: schaalvergroting van virale vectoren en autologe/allogene bioproduktie
Bioreactoren spelen een cruciale rol bij de productie van virale vectoren die nodig zijn voor de ontwikkeling van vaccins en ondersteunen de productie van adenovirussen en lentivirussen met titers van meer dan 10⁹ virale deeltjes per milliliter. Bovendien maken bioreactoren celtherapieën mogelijk door een medium te bieden voor het kweken en uitbreiden van zowel autologe, patiëntafgeleide T-cellen als allogene ‘klaar-voor-gebruik’-cellijnen, terwijl de fenotypische en cellulaire toestandsstabiliteit wordt behouden. Bij procesontwikkeling en productie van traditionele CAR-T-cellijnen leveren de bioreactorsystemen individuele batches met een waarde van meer dan 500.000 dollar, terwijl het gesloten systeemontwerp met perfusieregelingsystemen het risico op kruisbesmetting minimaliseert, de controle over de perfusie behoudt en de schaalbaarheid eenvoudig uitbreidt van 2 L tot 2.000 L, terwijl tegelijkertijd wordt voldaan aan de steriliteitsvereisten van de FDA en cGMP300.
Inklapbare bedienelementen en real-time bioreactorbeheer
pH, temperatuur, opgeloste zuurstof en roeren: de rol van elke parameter bij cellulair proliferatie en productie-uitvoer
De werking van bioreactoren kan worden beoordeeld aan de hand van vier afzonderlijke parameters, namelijk pH, temperatuur, opgeloste zuurstof (DO) en roeren. Elke van deze parameters heeft kritisch gedefinieerde bereiken. Afwijkingen van de temperatuur buiten ±0,5 °C van 37 °C kunnen de groeisnelheden ernstig verminderen met 50% en cellulaire stress veroorzaken. Veranderingen in pH buiten het optimale bereik van 7,2–7,4 kunnen leiden tot een verlies van cellevensvatbaarheid van meer dan 30% door metabolische verschuivingen. DO moet worden gehandhaafd tussen 30% en 60% saturatie. Het niet behalen van dit bereik resulteert in een onbeheersbare hypoxietoestand die aerobe stofwisseling kan remmen, terwijl te veel DO oxidatieve stress en celverlies van ongeveer 25% kan veroorzaken. Roeren dient om uniformiteit in de bioreactor te waarborgen; een te hoge roersnelheid kan echter leiden tot excessieve schuifspanning en beschadiging van kwetsbare cellijnen. Alle vier de parameters beïnvloeden direct de kwaliteit van therapeutische monoklonale antilichamen, hun glycosyleringspatronen en de vorming van aggregaten. Er is een uiterst hoge mate van controle over deze parameters vereist om naleving van de normen voor Kritieke Kwaliteitskenmerken (CQA) te garanderen.
Het waarborgen van consistentie en naleving van de FDA CMC-richtlijnen
Bioreactoren moeten gebruikmaken van moderne regelsystemen om de vier parameters temperatuur, pH, DO (opgeloste zuurstof) en roeren te integreren met regelgrenzen binnen een vooraf ingesteld bereik. Dit type regelsysteem waarborgt een gesloten-regelkring voor:
CO₂-bubbeling voor pH-regeling
Warmtewisselaars voor temperatuurregeling
Gasmixing voor DO-regeling
Instelbaar roeren
Het gebruik van een gesloten-regelkring waarborgt een consistentie van batch-bioreactorsystemen met minder dan 5% variabiliteit, wat de standaard CMC (Chemie, Fabricage en Controle) van de FDA versterkt. Geïntegreerde regelsystemen in bioreactoren maken het gebruik van gegevensloggingsystemen mogelijk, die essentieel zijn voor de regulering in bioproduktie en een voorspellende kwaliteit aan het regelsysteem verlenen. Regelsystemen worden ondersteund door metabolische controlehandtekeningen, waardoor verlies door afwijkingen met 40% wordt verminderd in productiesystemen die zijn gecertificeerd volgens Good Manufacturing Practice (GMP).
Keuze van technologie en steriliteit in schaalbare bioreactor-systemen
Systemen gebouwd met SIP/CIP-technologieën en ondersteunende/gesloten procesvoering ter beperking van besmetting
De fabrikantengarantie op een steriel product begint met de zekerheid van steriliteit. SIP- en CIP-systemen kunnen roestvrijstalen bioreactoren ontsmetten, maar zijn zeer resource-intensief en laten ruimte voor talloze fouten. Volgens recente mededelingen van de FDA (2023) is verontreiniging — en terugroepingen als gevolg van verontreiniging — in de biopharmacie de belangrijkste reden voor terugroepingen van biologica tijdens de productie. In de biopharmacie elimineert het paradigma van de ‘single-use bioreactor’ (eenmalige bioreactor) in de bioprocessering, dat is gebaseerd op flexibele, vooraf gesteriliseerde en wegwerpbaar zakken, SIP en CIP, terwijl de doorlooptijden verbeteren en het risico op kruisverontreiniging met wel 40% verminderen. Wanneer deze wordt gebruikt in combinatie met ondersteunende/gesloten procesvoering — waarbij vloeistofpaden vanaf het moment van inoculatie tot het moment van oogst afgesloten zijn — wordt een robuuste en veilige barrière tegen verontreiniging gevormd die in de industrie zijn gelijke niet kent. Toonaangevende fabrikanten in de biopharmacie hebben gemeld dat het aantal batchmislukkingen met 90% is gedaald na de invoering van geïntegreerde, gesloten, single-use systemen.
Belangrijkste uitdagingen bij het opschalen van biochemische reactorprocessen van 2-L laboratoriumschaal naar 20.000-L GMP-productie
De uitdagingen bij het opschalen van bioreactorprocessen zijn een combinatie van biologische en technische problemen, waarvan er drie vooral centraal staan:
1. Celbeschadiging door schuifspanning: Bij een groter vloeistofvolume en dus een grotere reactor worden de schuifkrachten tijdens het mengen sterker. Dit kan cellen die gevoelig zijn voor schuifkrachten beschadigen.
2. Gasoverdracht: Zonder gebruik van geoptimaliseerde sparging- of massatransfertechnologieën kan zuurstof niet in voldoende mate in bioreactoren met een volume groter dan 1.000 L diffunderen.
3. Technische procesparameters: In een bioreactorvessel ontstaan pH-, temperatuur- en andere gradienten over het verwerkte volume. Deze parameters zijn onstabiel en ongelijkmatig.
Voldoen aan de FDA-CMC-eisen voor commerciële schaal: Naarmate de productieschaal groter wordt, wordt het steeds moeilijker om te voldoen aan de validatievereisten.
Het succesvolle opschalingsproces vereist een aanzienlijk inzicht in zowel de parameters als, wat het belangrijkst is, het dynamisch gedrag van het proces, en niet slechts een begrip van de instelpunten. Het gebruik van perfusiebioreactoren maakt het mogelijk om een consistente celcultuurmedium te handhaven die de door de cellen benodigde voedingsstoffen bevat, evenals de mogelijkheid om de door de cellen geproduceerde stofwisselingsafvalstoffen te verwijderen. Het gebruik van sensorystemen met hoge nauwkeurigheid stelt het proces in staat om in real time, op autonome wijze, aanpassingen aan te brengen om de noodzakelijke parameters te regelen.
In een onderzoek uit 2023 van het Ponemon Institute werd gemeld dat een enkel mislukt opschalingsproces gemiddeld een kostenpost van $740.000 voor de fabrikant met zich meebrengt.
De andere grote uitdaging bij het opschalen van bioreactorprocessen is dat modulaire single-use-systemen een materiaalbeperking behouden die van toepassing is op de meeste bioreactorsystemen: een volume-capaciteit van 2.000 L. Voor ultra-grootschalige bioreactorprocessen (met een volume-capaciteit van meer dan 15.000 L) zijn de leidende systemen nog steeds de roestvrijstalen systemen, ondanks de beperkingen en lasten die gepaard gaan met de validatievereisten voor stoomsterilisatie.
In het kort:
Wat zijn de voordelen van single-use-bioreactors ten opzichte van roestvrijstalen bioreactors?
Single-use-bioreactors vereenvoudigen het proces van de doorlooptijd, minimaliseren de kans op besmetting en elimineren de noodzaak van reiniging en sterilisatie, waardoor de doorlooptijd met tot wel 40% wordt verkort.
Welke kritieke bioreactorprocesparameters beïnvloeden bioreactors?
Voor de kwaliteit van het product, evenals voor de celgroei-snelheden en de totale opbrengst, zijn pH, temperatuur, opgeloste zuurstof en roeren alle kritieke procesparameters. Een nauwkeurige controle van al deze parameters is noodzakelijk tijdens de productie, bijvoorbeeld voor de kwaliteitskenmerken van monoklonale antilichamen.
Wat is het belang van single-use-bioreactorsystemen?
Single-use-bioreactorsystemen, samen met gesloten procesystemen, bieden de hoogste vorm van steriliteitscontrole, wat het meest cruciale aspect van bioreactoren is om besmetting te voorkomen. Besmetting is de belangrijkste oorzaak van bioreactorstoringen en leidt uiteindelijk tot regelgevende niet-naleving, wat resulteert in terugroepacties.