Aplicações de Biorreatores nas Principais Modalidades de Biofármacos
Produção de anticorpos monoclonais: produção de proteínas por células CHO em biorreatores de aço inoxidável e descartáveis
A produção em massa de anticorpos monoclonais (mAbs) depende de biorreatores que cultivam células de ovário de hamster chinês (CHO) em escala industrial. Um sistema em aço inoxidável é capaz de suportar as elevadas demandas de volume, enquanto os biorreatores descartáveis simplificam o projeto e evitam as etapas demoradas de limpeza e esterilização envolvidas no uso de biorreatores, aumentando assim a velocidade da produção por lote e reduzindo os riscos de contaminação em até 40%. Ambas essas abordagens fornecem um sistema altamente responsivo para o controle da alimentação de nutrientes e do tratamento de resíduos, permitindo densidades celulares superiores a 20 milhões de células/mL e mantendo a qualidade e a consistência dos rendimentos de anticorpos. Biorreatores responsáveis pela produção de mais de 80% das proteínas terapêuticas derivadas de células CHO em um sistema por lote garantem e mantêm os atributos críticos de qualidade (CQA) e a consistência das proteínas terapêuticas produzidas.
Fabricação de vacinas e terapias celulares: Ampliação de vetores virais e produção biológica autóloga/alogenéica
Os biorreatores desempenham um papel crítico na produção dos vetores virais necessários para o desenvolvimento de vacinas e apoiam a produção de adenovírus e lentivírus em titulações superiores a 10⁹ partículas virais por mililitro. Além disso, os biorreatores viabilizam as terapias celulares ao fornecer um meio para o crescimento e expansão tanto de linhagens de células T autólogas derivadas do paciente quanto de linhagens celulares alogenéicas "prontas para uso", mantendo simultaneamente a estabilidade fenotípica e do estado celular. No desenvolvimento de processos e na fabricação de linhagens tradicionais de células CAR-T, os sistemas de biorreatores produzem lotes individuais cujo valor excede 500.000 dólares, enquanto o design de sistema fechado com controles de perfusão minimiza os riscos de contaminação cruzada, mantém o controle da perfusão e permite a extensão fácil da faixa de escalas, de 2 L a 2.000 L, atendendo ainda aos requisitos de esterilidade da FDA e da cGMP300.
Elementos de Controle Retráteis e Gestão em Tempo Real de Biorreator
pH, temperatura, oxigênio dissolvido e agitação: O papel de cada parâmetro na proliferação celular e na produção do produto
O funcionamento de biorreatores pode ser avaliado utilizando quatro parâmetros distintos: pH, temperatura, oxigênio dissolvido (OD) e agitação. Cada um desses parâmetros possui faixas criticamente definidas. Desvios de temperatura superiores a ±0,5 °C em relação a 37 °C podem reduzir severamente as taxas de crescimento em 50% e causar estresse celular. Alterações no pH fora da faixa ideal de 7,2–7,4 podem levar à perda de viabilidade celular superior a 30%, devido a alterações metabólicas. O OD deve ser mantido entre 30% e 60% de saturação. A incapacidade de atingir essa faixa resulta em uma condição incontrolável de hipóxia, que pode prejudicar o metabolismo aeróbio, enquanto o excesso de OD pode causar estresse oxidativo e perda celular de aproximadamente 25%. A agitação tem como finalidade garantir a uniformidade no biorreator; contudo, um grau elevado de agitação pode gerar estresse de cisalhamento excessivo e danificar linhagens celulares frágeis. Todos os quatro parâmetros influenciam diretamente a qualidade dos anticorpos monoclonais terapêuticos, seus perfis de glicosilação e a formação de agregados. É essencial exercer um controle extremo sobre esses parâmetros para garantir a conformidade com os padrões de Atributo Crítico de Qualidade (ACQ).
Garantir a consistência e a conformidade com as diretrizes da FDA sobre CMC
Os biorreatores devem empregar sistemas de controle modernos para integrar os quatro parâmetros — temperatura, pH, DO (oxigênio dissolvido) e agitação — com limites de controle dentro de uma faixa predefinida. Esse tipo de sistema de controle garante o controle em malha fechada de:
Insuflação de CO₂ para controle de pH
Troca térmica para controle de temperatura
Mistura de gases para controle de DO
Agitação ajustável
O uso do controle em malha fechada garante a consistência dos sistemas de biorreatores por lote com variabilidade inferior a 5%, reforçando o conjunto padrão de Controle CMC (Química, Fabricação e Controles) estabelecido pela FDA. Os sistemas de controle integrados nos biorreatores permitem a utilização de sistemas de registro de dados, essenciais para a regulamentação na biofabricação e que conferem ao sistema de controle uma capacidade preditiva de qualidade. Os sistemas de controle são reforçados por assinaturas metabólicas de controle, reduzindo em 40% as perdas decorrentes de desvios em sistemas de produção certificados conforme as Boas Práticas de Fabricação (BPF).
Escolha de Tecnologia e Estereilidade em Sistemas de Biorreator Dimensionáveis
Sistemas construídos com tecnologias SIP/CIP e processamento suportado/fechado para mitigação de contaminação
A garantia do fabricante de um produto estéril começa com a asseguração da esterilidade. Os sistemas SIP (Steam-in-Place) e CIP (Clean-in-Place), embora capazes de descontaminar bioreatores de aço inoxidável, são altamente intensivos em recursos e deixam margem para diversos erros. Comunicações recentes da FDA (2023) citam a contaminação e as respectivas retiradas de produtos no setor biofarmacêutico como a principal causa de recalls de produtos biológicos. Na biofarmácia, o paradigma do "bioreator de uso único", inovado por meio de sacos flexíveis, pré-esterilizados e descartáveis, elimina os processos SIP e CIP, ao mesmo tempo que melhora os tempos de ciclo e reduz o risco de contaminação cruzada em até 40%. Quando utilizado em conjunto com processamento suportado/fechado — no qual as vias fluidas permanecem seladas desde o ponto de inoculação até o ponto de colheita — cria-se uma barreira robusta e segura contra contaminação, sem paralelo na indústria. Os principais fabricantes do setor biofarmacêutico relataram uma redução de 90% nas falhas de lote com a adoção de sistemas integrados, fechados e de uso único.
Principais Desafios na Ampliação de Processos de Reatores Bioquímicos de Bancada de 2 L para Produção em Escala GMP de 20.000 L
Os desafios da ampliação das operações de biorreatores são uma combinação de questões biológicas e de engenharia, das quais três permanecem como principais:
1. Danos às Células por Tensão de Cisalhamento: Com um maior volume de líquido, quanto maior o vaso, mais acentuadas são as forças de cisalhamento durante a mistura. Isso pode danificar células sensíveis à tensão de cisalhamento.
2. Transferência de Gases: Sem o uso de tecnologias otimizadas de borbulhamento ou de transferência de massa, o oxigênio não consegue difundir-se no biorreator em volumes superiores a 1.000 L.
3. Parâmetros de Processo de Engenharia: Surgem gradientes de pH, temperatura e outros parâmetros ao longo do volume processado no vaso do biorreator. Esses parâmetros são inconsistentes e não uniformes.
Atendimento aos Requisitos Comerciais de CMC da FDA: Quanto maior a escala, maior o desafio para atender aos requisitos de validação.
O processo bem-sucedido de ampliação exige uma compreensão significativa tanto dos parâmetros quanto, principalmente, do comportamento dinâmico do processo, e não meramente uma compreensão dos valores-alvo. A utilização de biorreatores de perfusão permite que o processo mantenha um meio de cultura celular consistente, contendo os nutrientes necessários às células, bem como a capacidade de remover os resíduos metabólicos produzidos pelas células. A utilização de sistemas de sensores de alta fidelidade permite que o processo realize ajustes em tempo real, de forma autônoma, para controlar os parâmetros necessários.
Num estudo de 2023 realizado pelo Instituto Ponemon, relatou-se que, em média, um único processo de ampliação falhado acarreta um custo associado ao fabricante de 740.000 dólares.
O outro grande desafio na ampliação das operações de biorreatores é que os sistemas modulares descartáveis apresentam uma limitação de material na maioria dos sistemas de biorreatores, com capacidade volumétrica máxima de 2.000 L. Para operações de biorreatores em escala ultra-grande (capacidade volumétrica superior a 15.000 L), os principais sistemas continuam sendo os de aço inoxidável, independentemente das limitações e encargos associados aos requisitos de validação da esterilização a vapor.
Em resumo:
Quais são as vantagens dos biorreatores descartáveis em comparação com os biorreatores de aço inoxidável?
Os biorreatores descartáveis simplificam o processo de tempo de turnaround, minimizando as oportunidades de contaminação e eliminando a necessidade de limpeza e esterilização, reduzindo o tempo de turnaround em até 40%.
Quais parâmetros críticos do processo de biorreator influenciam os biorreatores?
Para a qualidade do produto, bem como para as taxas de crescimento celular e o rendimento geral, o pH, a temperatura, o oxigênio dissolvido e a agitação são todos parâmetros críticos do processo. O controle rigoroso de todos esses parâmetros é necessário na fabricação, por exemplo, para os atributos de qualidade dos anticorpos monoclonais.
Qual é a importância dos sistemas de biorreator descartáveis?
Os sistemas de biorreator descartáveis, juntamente com os sistemas de processamento fechados, oferecem a forma mais elevada de controle de esterilização, que é o aspecto mais crucial dos biorreatores para prevenir contaminações. A contaminação é a principal causa de falhas em biorreatores e, em última instância, de não conformidade regulatória, resultando em recalls.