Zastosowania bioreaktorów w kluczowych obszarach bioprodukcji farmaceutycznej
Produkcja przeciwciał monoklonalnych: produkcja „mleka” z komórek CHO w bioreaktorach ze stali nierdzewnej oraz jednorazowych bioreaktorach
Masowa produkcja przeciwciał monoklonalnych (mAbs) opiera się na bioreaktorach hodujących komórki jajników chińskich chomików (CHO) w skali przemysłowej. System ze stali nierdzewnej jest w stanie wytrzymać duże zapotrzebowanie na objętość, podczas gdy jednorazowe bioreaktory upraszczają projektowanie i eliminują czasochłonne etapy czyszczenia oraz sterylizacji związane z użytkowaniem bioreaktorów, co zwiększa szybkość produkcji partii i zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia nawet o 40%. Obie te metody zapewniają wysoce reaktywny system kontroli podawania składników odżywczych i usuwania produktów przemiany materii, umożliwiając osiągnięcie gęstości komórkowej przekraczającej 20 milionów komórek/mL oraz utrzymanie wysokiej jakości i spójnych uzysków przeciwciał. Bioreaktory produkujące ponad 80% terapeutycznych białek pochodzenia komórkowego CHO w systemie partii do partii zapewniają i utrzymują kluczowe cechy jakościowe (CQA) oraz spójność wytwarzanych białek terapeutycznych.
Produkcja szczepionek i terapii komórkowych: skalowanie wektorów wirusowych oraz autologiczna/allogeiczna produkcja biologiczna
Bioreaktory odgrywają kluczową rolę w produkcji wektorów wirusowych niezbędnych do opracowywania szczepionek oraz wspierają produkcję adenowirusów i lentiwirusów w stężeniach przekraczających 10⁹ cząsteczek wirusowych na mililitr. Ponadto bioreaktory umożliwiają terapie komórkowe, zapewniając ośrodek do hodowli i rozmnażania zarówno autologicznych, pochodzących od pacjenta komórek T, jak i allogeicznych linii komórkowych „gotowych do użycia”, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności fenotypu i stanu komórkowego. W procesie rozwoju i produkcji tradycyjnych linii komórek CAR-T systemy bioreaktorowe pozwalają uzyskać pojedyncze partie o wartości przekraczającej 500 000 USD, podczas gdy zamknięta konstrukcja systemów z kontrolą perfuzji minimalizuje ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego, zapewnia kontrolę nad perfuzją oraz ułatwia rozszerzenie zakresu skali od 2 L do 2000 L, spełniając jednocześnie wymagania FDA i cGMP dotyczące sterylności (poziom 300).
Wysuwane elementy sterujące i zarządzanie bioreaktorem w czasie rzeczywistym
pH, temperatura, rozpuszczone tlenu oraz mieszanie: rola każdego z tych parametrów w proliferacji komórkowej i wydajności produktu
Funkcjonowanie bioreaktorów można oceniać za pomocą czterech różnych parametrów: pH, temperatury, rozpuszczonego tlenu (DO) oraz mieszania. Każdy z tych parametrów ma ściśle określony zakres dopuszczalnych wartości. Odchylenia temperatury o więcej niż ±0,5 °C od wartości 37 °C mogą poważnie obniżyć tempo wzrostu komórek o 50% i wywołać stres komórkowy. Przesunięcia pH poza optymalny zakres 7,2–7,4 mogą prowadzić do utraty żywotności komórek o ponad 30% na skutek zmian metabolicznych. Zawartość rozpuszczonego tlenu (DO) musi być utrzymywana w zakresie od 30% do 60% nasycenia. Nieosiągnięcie tego zakresu powoduje niekontrolowaną hipoksję, która może zakłócać metabolizm tlenowy, podczas gdy nadmiar DO może wywoływać stres oksydacyjny i utratę komórek w przybliżeniu o 25%. Mieszanie zapewnia jednorodność warunków w bioreaktorze; jednak zbyt intensywne mieszanie może powodować nadmierny naprężenie ścinające i uszkadzać delikatne linie komórkowe. Wszystkie cztery parametry mają bezpośredni wpływ na jakość terapeutycznych przeciwciał monoklonalnych, ich wzorce glikozylacji oraz tworzenie agregatów. Konieczna jest maksymalna kontrola tych parametrów, aby zagwarantować zgodność z wymaganiami dotyczącymi kluczowych cech jakości (CQA).
Zapewnienie spójności i zgodności z wytycznymi FDA w zakresie CMC
Bioreaktory muszą wykorzystywać nowoczesne systemy sterowania umożliwiające integrację czterech parametrów: temperatury, pH, stężenia tlenu rozpuszczonego (DO) oraz mieszania, przy jednoczesnym utrzymywaniu ich w obrębie zadanych zakresów kontrolnych. Tego typu system sterowania zapewnia sterowanie w pętli zamkniętej następujących elementów:
Doprowadzanie CO₂ w celu regulacji pH
Wymienniki ciepła do regulacji temperatury
Mieszanie gazów w celu regulacji stężenia tlenu rozpuszczonego (DO)
Regulowane mieszanie
Zastosowanie sterowania w pętli zamkniętej zapewnia spójność działania systemów bioreaktorowych w skali partii na poziomie poniżej 5% zmienności, co wzmacnia standardowy zestaw zasad CMC (Chemistry, Manufacturing and Controls – chemia, produkcja i kontrola) określony przez FDA. Zintegrowane systemy sterowania w bioreaktorach umożliwiają wykorzystanie systemów rejestrowania danych, które są kluczowe dla przestrzegania przepisów w zakresie bioprodukcji oraz nadają systemowi sterowania cechy predykcyjne pod względem jakości. Systemy sterowania są wzmocnione sygnaturami kontroli metabolicznej, co redukuje straty wynikające z odchyleń o 40% w systemach produkcyjnych certyfikowanych zgodnie z zasadami Dobrej Praktyki Produkcyjnej (GMP).
Wybór technologii i sterylności w skalowalnych systemach bioreaktorowych
Systemy zbudowane z wykorzystaniem technologii SIP/CIP oraz wspierające/przetwarzanie zamknięte minimalizujące zanieczyszczenia
Gwarancja producenta dotycząca sterylności produktu zaczyna się od zapewnienia sterylności. Systemy SIP i CIP, choć pozwalają na dezaktywację zanieczyszczeń w bioreaktorach ze stali nierdzewnej, są bardzo intensywnie obciążające zasoby i pozostawiają miejsce na liczne błędy. W najnowszej komunikacji FDA (2023 r.) zanieczyszczenia oraz wycofania produktów z rynku spowodowane zanieczyszczeniami w branży biofarmaceutycznej wymienione są jako główny powód wycofywania z rynku leków biologicznych. W branży biofarmaceutycznej koncepcja „jednorazowego bioreaktora” w przetwarzaniu biologicznym – innowacyjna, oparta na elastycznych, wstępnie wysterylizowanych i jednorazowych workach – eliminuje konieczność stosowania systemów SIP i CIP, skracając jednocześnie czasy przestojów oraz zmniejszając ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego nawet o 40%. Gdy wykorzystywane są w połączeniu z procesami wspieranymi/zamkniętymi, w których ścieżki przepływu cieczy są uszczelniane od momentu inokulacji do momentu zbioru, tworzona jest niezawodna i bezpieczna bariera przed zanieczyszczeniem, której nie ma sobie równych w tej branży. Wiodący producenci w sektorze biofarmaceutycznym zgłosili 90-procentowe zmniejszenie liczby niepowodzeń partii po wdrożeniu zintegrowanych, zamkniętych, jednorazowych systemów.
Kluczowe wyzwania związane z powiększaniem skali procesów reaktorów biochemicznych od 2-litrowych układów laboratoryjnych do produkcji GMP w skali 20 000 litrów
Wyzwania związane z powiększaniem skali działania bioreaktorów stanowią połączenie problemów biologicznych i inżynieryjnych; trzy z nich pozostają najważniejsze:
1. Uszkodzenie komórek spowodowane naprężeniem ścinającym: Wraz ze wzrostem objętości cieczy oraz rozmiaru zbiornika rosną siły ścinające występujące podczas mieszania. Mogą one uszkodzić komórki wrażliwe na działanie sił ścinających.
2. Przenoszenie gazu: Bez zastosowania zoptymalizowanych technik wprowadzania gazu (sparging) lub technologii przenoszenia masy tlen nie może dyfundować w odpowiedniej ilości do wnętrza bioreaktora o objętości przekraczającej 1000 litrów.
3. Parametry procesu inżynieryjnego: W obrębie objętości przetwarzanej w zbiorniku bioreaktora powstają gradienty pH, temperatury oraz innych parametrów. Parametry te są niespójne i nierównomierne.
Spełnianie wymagań FDA dotyczących charakterystyki, jakości i kontroli (CMC) w skali komercyjnej: Im większa skala produkcji, tym trudniejsze staje się spełnienie wymagań walidacyjnych.
Pomyślny proces skalowania wymaga znacznej wiedzy zarówno na temat parametrów, jak i – co najważniejsze – dynamicznego zachowania procesu, a nie tylko zrozumienia wartości zadanych. Zastosowanie bioreaktorów perfuzyjnych umożliwia utrzymanie stałego ośrodka hodowlanego komórek, który zawiera składniki odżywcze niezbędne dla komórek oraz umożliwia usuwanie produktów przemiany materii wytworzonych przez komórki. Wykorzystanie wysokiej klasy systemów czujników pozwala na wprowadzanie zmian w czasie rzeczywistym, w sposób autonomiczny, w celu kontrolowania niezbędnych parametrów.
W badaniu przeprowadzonym w 2023 roku przez Instytut Ponemon stwierdzono, że średnie koszty związane z jednym nieudanym procesem skalowania wynoszą dla producenta 740 000 USD.
Innym głównym wyzwaniem w skali operacji bioreaktorowych jest fakt, że modułowe systemy jednorazowego użytku napotykają ograniczenie materiałowe większości systemów bioreaktorowych – ich pojemność wynosi maksymalnie 2000 L. W przypadku operacji bioreaktorowych w ultra-dużej skali (o pojemności przekraczającej 15 000 L) wiodącą rolę odgrywają nadal systemy ze stali nierdzewnej, mimo ograniczeń i obciążeń związanych z wymogami walidacji sterylizacji parą.
Krótko mówiąc:
Jakie są zalety bioreaktorów jednorazowego użytku w porównaniu do bioreaktorów ze stali nierdzewnej?
Bioreaktory jednorazowego użytku upraszczają proces czasu przejścia między partiami, minimalizują ryzyko zanieczyszczenia oraz eliminują konieczność czyszczenia i sterylizacji, skracając przy tym czas przejścia nawet o 40%.
Jakie kluczowe parametry procesowe bioreaktorów wpływają na działanie bioreaktorów?
W przypadku jakości produktu, a także tempa wzrostu komórek i ogólnego uzysku, pH, temperatura, rozpuszczony tlen oraz mieszanie są wszystkie kluczowymi parametrami procesowymi. Ścisła kontrola wszystkich tych parametrów jest konieczna w produkcji, na przykład w odniesieniu do cech jakościowych przeciwciał monoklonalnych.
Jakie jest znaczenie systemów jednorazowych bioreaktorów?
Systemy jednorazowych bioreaktorów wraz z zamkniętymi systemami przetwarzania zapewniają najwyższy poziom kontroli sterylności, który jest najważniejszym aspektem działania bioreaktorów w celu zapobiegania zanieczyszczeniom. Zanieczyszczenia stanowią główną przyczynę awarii bioreaktorów i ostatecznie prowadzą do niezgodności z przepisami regulacyjnymi, co skutkuje wycofywaniem produktów z rynku.