Anvendelser av bioreaktorer i nøkkelbiologisk farmasøytiske modus
Produksjon av monoklonale antistoffer: Melkproduksjon fra CHO-celler i rustfritt stål- og engangsbioreaktorer
Massproduksjon av monoklonale antistoffer (mAbs) avhenger av bioreaktorer som dyrker kinesiske hamsterovaryceller (CHO-cellene) i industriell skala. Et system av rustfritt stål kan takle de store volumkravene, mens en engangsbioreaktor forenkler designet og unngår de tidskrevende rengjørings- og steriliseringsstegene som er involvert ved bruk av bioreaktorer, noe som dermed forbedrer hastigheten på batchproduksjonen og reduserer risikoen for kontaminering med opptil 40 %. Begge disse tilnærmingene gir et svært responsivt system for regulering av næringsstofftilførsel og avfallsstyring, slik at celletettheter på over 20 millioner celler/mL oppnås og kvaliteten samt konsekvente antistoffutbytter opprettholdes. Bioreaktorer som produserer over 80 % av terapeutiske proteiner fra CHO-celler i et batch-til-batch-system sikrer og opprettholder kritiske kvalitetsattributter (CQA) og konsekvens i de produserte terapeutiske proteinene.
Produksjon av vaksiner og cellulær terapi: Skalering av virale vektorer og autologe/allogene bioproduksjonsprosesser
Bioreaktorer har en avgjørende rolle i produksjonen av de virale vektorene som kreves for utvikling av vaksiner, og støtter produksjonen av adenovirus og lentivirus ved titere på over 10⁹ viruspartikler per milliliter. Videre muliggjør bioreaktorer cellulær terapi ved å gi et medium for vekst og utvidelse av både autologe, pasientavledede T-celler og allogene «klar-til-bruk»-cellelinjer, samtidig som fenotypisk stabilitet og cellestatus opprettholdes. I prosessutvikling og produksjon av tradisjonelle CAR-T-cellelinjer er bioreaktorsystemene i stand til å levere individuelle partier med en verdi på over 500 000 USD, mens lukkede systemdesign med perfusjonskontrollsystemer minimerer risikoen for krysskontaminering, sikrer kontroll over perfusjonen og støtter utvidelse av skalaområdet fra 2 L til 2 000 L uten problemer, samtidig som kravene fra FDA og cGMP300 til sterilitet oppfylles.
Inntrekkbare kontroll-elementer og sanntidsstyring av bioreaktor
pH, temperatur, oppløst oksygen og omrøring: Rollen til hver parameter for cellulær proliferasjon og produktutbytte
Funksjonen til bioreaktorer kan vurderes ved hjelp av fire ulike parametere, nemlig pH, temperatur, oppløst oksygen (DO) og omrøring. Hver av disse parameterne har kritisk definerte intervaller. Avvik i temperatur på mer enn ±0,5 °C fra 37 °C kan redusere vekstraten kraftig med 50 % og forårsake cellulær stress. Endringer i pH utenfor det optimale intervallet 7,2–7,4 kan føre til tap av cellelevendighet på over 30 % som følge av metaboliske endringer. DO må holdes mellom 30 % og 60 % metning. Å ikke oppnå dette intervallet fører til en uoverkommelig hypoksi-tilstand som kan hemme aerob metabolisme, mens for høy DO kan føre til oksidativ stress og celletap på ca. 25 %. Omrøring sikrer jevnhet i bioreaktoren, men for intens omrøring kan føre til overdreven skjærstress og ødeleggelse av sårbar cellekultur. Alle fire parameterne påvirker direkte kvaliteten på terapeutiske monoklonale antistoffer samt deres glykosyleringsmønstre og dannelse av aggreger. Det må utøves en ekstrem grad av kontroll over parameterne for å sikre etterlevelse av standardene for kritiske kvalitetsattributter (CQA).
Sikrer konsekvens og etterlevelse av FDA sine CMC-veiledninger
Bioreaktorer må bruke moderne kontrollsystemer for å integrere de fire parametrene temperatur, pH, DO (oppløst oksygen) og omrøring med kontrollgrenser innenfor et forhåndsinnstilt område. Denne typen kontrollsystem sikrer lukket-loop-kontroll av:
CO₂-sprøyting for pH-kontroll
Varmeutvekslere for temperaturkontroll
Blanding av gasser for DO-kontroll
Justerbar omrøring
Bruken av lukket-loop-kontroll sikrer konsekvens i batch-bioreaktorsystemer med mindre enn 5 % variabilitet, noe som styrker standarden for CMC (kjemisk sammensetning, produksjon og kontroll), som er fastsatt av FDA. Integrerte kontrollsystemer i bioreaktorer muliggjør bruk av dataloggingssystemer, som er avgjørende for regulering i bioproduksjon og gir kontrollsystemet en prediktiv kvalitet. Kontrollsystemer støttes av metaboliske kontrollsignaturer, noe som reduserer tap forårsaket av avvik med 40 % i produksjonssystemer som er sertifisert i henhold til god fremstillingspraksis (GMP).
Valg av teknologi og sterilitet i skalerbare bioreaktorsystemer
Systemer bygd med SIP/CIP-teknologier og støttende/lukkede prosesser for å redusere kontaminering
Produsentens garanti for et sterilt produkt starter med sikring av sterilitet. SIP- og CIP-systemer kan deskontaminere rustfrie stålbioreaktorer, men er svært ressurskrevende og gir rom for mange feil. Nylig kommunikasjon fra FDA (2023) nevner kontaminering og tilbakeropingsgrunner knyttet til kontaminering i biopharma som den viktigste årsaken til tilbakeropinger av biologiske legemidler. I biopharma har «engangsbioreaktor»-paradigmet innen bioprosessering – som bygger på fleksible, forsteriliserte og engangsbare poser – eliminert behovet for SIP og CIP, samtidig som gjennomløpstider forbedres og risikoen for krysskontaminering reduseres med opptil 40 %. Når disse systemene brukes sammen med støttende/lukket prosessering, der væskebaner er forseglet fra inokulasjonspunktet til høstepunktet, opprettes en robust og sikker barriere mot kontaminering som ikke har sidestykke i bransjen. Ledende produsenter innen biopharma har rapportert en reduksjon i batchfeil på 90 % ved innføring av integrerte, lukkede engangssystemer.
Nøkkelutfordringer ved skalering av biokjemiske reaktorprosesser fra 2-L laboratoriemodell til 20 000-L GMP-produksjon
Utfordringene ved skalering av bioreaktordrift er en blanding av biologiske og tekniske problemer, hvorav tre forblir primære:
1. Celleskade forårsaket av skjærspenning: Ved større væskevolum øker også beholderens størrelse, og skjærkreftene i blandingen blir mer uttalte. Dette kan skade celler som er følsomme for skjærkrefter.
2. Gassoverføring: Uten bruk av optimalisert sparging- eller masseoverføringsteknologi kan oksygen ikke diffundere inn i bioreaktoren i volum større enn 1 000 L.
3. Tekniske prosessparametere: Det oppstår pH-, temperatur- og andre gradienter over volumet som behandles i en bioreaktorbeholder. Disse parameterne er inkonsistente og ujevne.
Oppfyllelse av FDA sin CMC-krav for kommersiell skala: Jo større skalaen er, jo større utfordring blir det å oppfylle valideringskravene.
En vellykket oppskalering krever en betydelig forståelse av både parametrene og, fremfor alt, den dynamiske oppførselen til prosessen – ikke bare en forståelse av innstillingene. Bruken av perfusjonsbioreaktorer gjør det mulig å opprettholde et konsekvent cellekulturmedium som inneholder næringsstoffer som cellene trenger, samt muligheten til å fjerne de metaboliske avfallsstoffene som cellene produserer. Bruken av høyfidelitets sensorsystemer gjør det mulig for prosessen å foreta endringer i sanntid, på en autonom måte, for å regulere de nødvendige parameterne.
I en studie fra 2023 utført av Ponemon Institute ble det rapportert at en enkelt mislykket oppskalering i gjennomsnitt koster produsenten 740 000 dollar.
Den andre store utfordringen ved å skala opp bioreaktordrift er at modulære engangssystemer har en materiell begrensning for de fleste bioreaktorsystemer på 2 000 L volumkapasitet. For ultra-store bioreaktordriftsanlegg (volumkapasitet større enn 15 000 L) er de ledende systemene fortsatt rustfrie stålsystemer, uavhengig av begrensningene og byrden fra kravene til validering av dampsterilisering.
Kort sagt:
Hva er fordelene med engangsbioreaktorer sammenlignet med rustfrie stålbioreaktorer?
Engangsbioreaktorer forenkler prosessen for gjennomløpstid, minimerer muligheten for forurensning og eliminerer behovet for rengjøring og sterilisering, alt sammen ved å redusere gjennomløpstiden med opptil 40 %.
Hvilke kritiske bioreaktorprosessparametere påvirker bioreaktorer?
For kvaliteten på produktet samt cellevekstrater og total utbytte er pH, temperatur, oppløst oksygen og omrøring alle kritiske prosessparametere. Nøyaktig kontroll av alle disse parameterne er nødvendig i produksjonen, for eksempel når det gjelder kvalitetsattributtene til monoklonale antistoffer.
Hva er betydningen av engangsbioreaktorsystemer?
Engangsbioreaktorsystemer, sammen med lukkede prosesssystemer, gir den høyeste formen for steriliseringskontroll, noe som er det viktigste aspektet ved bioreaktorer for å unngå forurensning. Forurensning er den primære årsaken til svikt i bioreaktorer og fører til slutt til manglende overholdelse av reguleringer, noe som resulterer i tilbakeropinger.