Równoważność wydajności: czy bioreaktory jednorazowe do hodowli komórkowej zbliżają się do modeli ze stali nierdzewnej pod względem kluczowych parametrów procesowych?
współczynnik kLa, jednolitość mieszania oraz kontrola procesu w czasie rzeczywistym w skali komercyjnej
Dostarczanie tlenu jest niezbędne do utrzymania żywotności komórek. Współczynnik objętościowego przenoszenia tlenu (kLa) stanowi odpowiednik tego parametru. Bioreaktory ze stali nierdzewnej osiągają wartość kLa przekraczającą 0,02 s⁻¹ w skali przemysłowej (objętość 20 000 L) przy zastosowaniu zaprojektowanych układów mieszających i rozpraszaczy. Bioreaktory jednorazowe umożliwiają kontrolę objętościową do 2000 L. Bioreaktory jednorazowe wykorzystują składane worki, a po przekroczeniu określonego punktu mechaniczne mieszanie powoduje ich zapadnięcie się. Skutkuje to powstaniem gradientu stężenia tlenu, który narusza górną strefę bioreaktora o więcej niż 15%. Niektóre inne ulepszenia w zakresie kontroli i stabilności konstrukcji bioreaktora – takie jak zastosowanie kierunkowych przegrod bocznych oraz mieszadeł helikalnych – pozwoliły osiągnąć odchylenie w stanie ustalonym mniejsze niż 10%. Kontrola w czasie rzeczywistym pozwala osiągnąć poziom kontroli porównywalny z bioreaktorami stałymi dzięki zintegrowanej kontroli pH oraz rozpuszczonego tlenu w przedziałach regulacyjnych wynoszących 2 sekundy. W przypadku kultur o ultra-wysokiej gęstości komórkowej przekraczającej 50 milionów komórek/mL kontrola za pomocą bioreaktorów ze stali nierdzewnej z zmienną kontrolą stężenia rozpuszczonego tlenu pozostaje nadal lepsza.
Ryzyka związane z bezpieczeństwem materiałów i zgodnością bioreaktorów do hodowli komórkowych: substancje wyciągane i wydzielane
Składniki bioreaktorów wykonane z tworzywa sztucznego mogą prowadzić do migracji związków chemicznych w medium. Zarówno związki wyciągane (leachables), jak i wydzielane (extractables), mogą migrować i gromadzić się w stężeniach cytotoksycznych. Przykładem takiego związku jest bis(2-etyloheksylowy) ftalan (DEHP). Jest to plastyczny dodatek, który już w stężeniu zaledwie 0,5 ppm może powodować dysfunkcję mitochondriów. Podobna sytuacja występuje również w przypadku związków wyciąganych i wydzielanych. Międzynarodowa Rada do Spraw Harmonizacji (ICH) Q5A(R2) oraz Farmakopea Stanów Zjednoczonych (USP) <665> określiły dopuszczalny poziom ekspozycji na znane kancerogeny na poziomie nie przekraczającym jednego mikrograma dziennie. W warunkach klinicznych związki wyciągane i wydzielane powodują odchylenie pH lub hamowanie wzrostu w około 12% przypadków wczesnych badań klinicznych. Mniej niż 36% konstrukcji pierwszego pokolenia wielowarstwowych folii zawierających warstwę barierową z etylenowo-winylowego alkoholu (EVOH) zapewnia poziom związków wydzielanych poniżej 78%. Ostatnio dostawcy zaczęli wprowadzać testy starzenia w celu oceny długoterminowej integralności materiałów, stosując przyspieszone starzenie przez maksymalnie 18 miesięcy. Kompleksowe badania mające na celu ocenę zakresu występowania związków wyciąganych i wydzielanych rzeczywiście wydłużają rozwój procesów o 8–12 tygodni, co nie jest pomijalną wartością w programach na etapie badań klinicznych.
Całkowity koszt posiadania: kompromisy dotyczące bioreaktorów do hodowli komórkowych pod kątem efektywności inwestycyjnej w porównaniu do kosztów operacyjnych
Dokonując oceny oszczędności operacyjnych i początkowych oszczędności, można dokonać dokładnej analizy kosztów bioreaktorów do hodowli komórek. Jest to szczególnie widoczne przy porównywaniu kosztów wdrożenia bioreaktorów jednorazowych z kosztami wdrożenia bioreaktorów partiiowych. Koszty transakcyjne związane z nietrwałymi systemami ze stali nierdzewnej mogą przekraczać 10 mln USD; natomiast koszty transakcyjne związane z nietrwałymi systemami jednorazowymi są znacznie niższe. Długoterminowe koszty związane z systemami operacyjnymi stanowiącymi część partiiowych systemów jednorazowych określone są tymi samymi czynnikami operacyjnymi.
Analiza punktu przecięcia: częstotliwość partii, skala produkcji oraz typ produktu decydują o przewadze konkurencyjnej
Bioreaktory jednorazowe stają się najbardziej opłacalne tam, gdzie priorytetem jest elastyczność. W przypadku terapii produkowanych w skali do 2000 L i przy liczbie partii do 12 rocznie systemy jednorazowe obniżają całkowity koszt posiadania (TCO) o 18–34%, eliminując konieczność walidacji cykli czyszczenia na miejscu (CIP) oraz walidacji cykli sterylizacji na miejscu (SIP), a także skracając czas przestoju (BioProcess International, 2023). Produkty o wysokiej wartości, takie jak monoklonalne przeciwciała, przynoszą również większe oszczędności kosztowe dzięki szybkim przełączaniom między partiami oraz znikomemu wpływowi opóźnień związanych z kampaniami marketingowymi, które mogą wynikać z procesu produkcyjnego.
Ukryte koszty: walidacja, energochłonne cykle CIP/SIP, obsługa odpadów oraz złożoność procesu sterylizacji
Systemy jednorazowe eliminują potrzebę sterylizacji parą. Jednak generują kilka unikalnych kategorii kosztów.
Walidacja: powtarzające się koszty badań na obecność substancji wydzielanych/wyciąganych wynoszą od 500 tys. do 740 tys. USD na platformę (Ponemon Institute, 2023)
Logistyka odpadów: Koszt utylizacji tworzyw sztucznych wykorzystywanych w obiekcie wynosi 120–200 USD za m³, czyli prawie 2,5 raza więcej niż koszt 80 USD za m³ oczyszczonej ścieków przemysłowych.
Energia: Każda stalowa zbiornikowa jednostka jest używana do czyszczenia CIP/SIP i zużywa miesięcznie 3,2 megawatogodziny energii – tyle, ile potrzebują 300 gospodarstw domowych w Stanach Zjednoczonych.
Te czynniki znacznie przesuwają punkt zwrotu inwestycji. Firmy produkcyjne, które prowadzą trwałą, dużą i stabilną produkcję masową, zwykle nadal korzystają ze stali nierdzewnej, mimo wyższych nakładów kapitałowych/początkowych, ponieważ systemy te zapewniają połączenie trwałości oraz przewidywalnych kosztów odzysku na okres ponad 15 lat.
Zwinność operacyjna i zrównoważony rozwój: strategiczna wartość jednorazowych bioreaktorów do hodowli komórkowej
Szybka wymiana wyposażenia, elastyczność w dostawach produktów klinicznych oraz zmniejszone ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego
Jednorazowe bioreaktory zwiększają wydajność operacyjną, eliminując dni oczekiwania na walidację cykli CIP i cykle SIP, co skraca czas przełączania się między partiami do kilku godzin. Taka sama elastyczność jest wymagana w łańcuchach dostaw zapewniających spełnienie zapotrzebowania klinicznego. Obiekty objęte badaniem odnotowały dodatkową wydajność polegającą na możliwości rozpoczęcia kampanii o 30–50% szybciej, co przekłada się na szybszą produkcję materiałów umożliwiających uzyskanie zgody na prowadzenie badań klinicznych (IND) oraz wcześniejszą gotowość do badań faz I i II. Straty partii spowodowane zanieczyszczeniem w systemie bioreaktorowym były o 72% niższe niż w przypadku większości tradycyjnych systemów bioreaktorowych z złożonymi protokołami CIP/SIP. Ten system bioreaktorowy to wstępnie sterylizowany, zamknięty system bioreaktorowy z wspólnymi ścieżkami przepływu cieczy. Niezawodność bioreaktorów ma kluczowe znaczenie, szczególnie w obiektach wieloproduktowych, w których w ramach wspólnej infrastruktury przetwarzane są zarówno wirusowe wektory, jak i monoklonalne przeciwciała (mAbs).
Ślad ekologiczny i odporność łańcucha dostaw: logistyka utylizacji i zależność od polimerów
W porównaniu z bioreaktorami ze stali nierdzewnej, jednorazowe bioreaktory zmniejszają zużycie wody (≤1000 L na partię) oraz zużycie energii (≤65%) związanych z projektowaniem poprzez wyeliminowanie konieczności sterylizacji, ale nie zapewniają zrównoważoności. Choć odpady polimerowe pochodzące od bioreaktorów stosowanych w przemyśle biotechnologii farmaceutycznej stanowią zaledwie 0,002% rocznych światowych odpadów plastikowych, nadal przyczyniają się do znacznej ilości polimerów trafiających na wysypiska oraz stanowią istotną część odpadów komunalnych stałych. Niektóre niedawno wprowadzone nowe propozycje tzw. „biopolietylenów” opartych na etylenie (C₂H₄) charakteryzują się optymistycznie zaprojektowanymi, modułowymi workami. Wyniki z zakresu zrównoważoności nie są odbiciem stosowanej technologii, lecz raczej sposobu, w jaki operatorzy określają skutki jej zastosowania.
Często zadawane pytania
Czym jest kLa?
KLa (współczynnik objętościowego przenoszenia tlenu) odnosi się do szybkości wymiany gazów w większości roztworów w bioreaktorze – procesu wspomagającego utrzymanie żywotności komórek, szczególnie w większych systemach bioreaktorów ze stali nierdzewnej.
Czym są substancje wyciągane/wyładowane?
Substancje wyciągane to substancje cytotoksyczne, które dyfundują do środowiska hodowlanego podczas rutynowej eksploatacji, natomiast substancje wyładowane to substancje cytotoksyczne uwalniane w warunkach nietypowych i wyolbrzymionych.
Jakie są koszty eksploatacji bioreaktorów jednorazowych w porównaniu z bioreaktorami stalowymi?
Bioreaktory jednorazowe charakteryzują się znacznie niższymi kosztami inwestycyjnymi i są bardziej opłacalne niż bioreaktory ze stali nierdzewnej przy produkcji małych partii oraz w przypadku bioreaktorów wymaganych do ciągłej eksploatacji. Niemniej jednak bioreaktory jednorazowe mogą wiązać się z kosztami utylizacji odpadów oraz kosztami walidacji.
Jakie są kwestie związane z końcem życia bioreaktorów jednorazowych oraz wpływem na środowisko?
Bioreaktory jednorazowe mają mniejszy wpływ na zużycie wody i energii, jednak ograniczenia wynikające z dostępności i przystępności finansowej recyklingu folii medycznych prowadzą do sytuacji, w której systemy bioreaktorów jednorazowych mają ograniczone możliwości wykorzystania po zakończeniu ich życia użytkowego oraz ograniczoną zrównoważoność.