Aplicații ale bioreactoarelor în principalele modalități biofarmaceutice
Producția de anticorpi monoclonali: Producția de „lapte” din celule CHO în bioreactoare din oțel inoxidabil și bioreactoare monouză
Producția în masă a anticorpilor monoclonali (mAbs) se bazează pe bioreactoare care cultivă celulele de ovar de hamster chinezesc (CHO) la scară industrială. Un sistem din oțel inoxidabil este capabil să suporte cerințele de volum mare, în timp ce bioreactoarele cu utilizare unică simplifică proiectarea și evită etapele consumatoare de timp de curățare și sterilizare implicate în utilizarea bioreactoarelor, astfel îmbunătățind viteza producției pe loturi și reducând riscurile de contaminare cu până la 40%. Ambele abordări oferă un sistem extrem de reactiv pentru controlul alimentării cu nutrienți și al deșeurilor, permițând obținerea unor densități celulare superioare lui 20 de milioane celule/mL și menținerea calității și a randamentului constant al anticorpilor. Bioreactoarele care produc peste 80% dintre proteinele terapeutice derivate din celule CHO într-un sistem de lot la lot asigură și mențin atributelor critice de calitate (CQA) și consistența proteinelor terapeutice produse.
Producția de vaccinuri și terapii celulare: scalarea vectorilor virali și bioproducția autologă/alogenă
Bioreactorii au un rol esențial în producția vectorilor virali necesari pentru dezvoltarea vaccinurilor și susțin producția de adenovirusuri și lentivirusuri la titruri de peste 10⁹ particule virale pe mililitru. În plus, bioreactorii permit terapiile celulare oferind un mediu pentru cultivarea și expansiunea atât a celulelor T derivate din pacienți (autologe), cât și a liniilor celulare alogene „gata de utilizare”, menținând în același timp stabilitatea fenotipică și a stării celulare. În dezvoltarea proceselor și în producția liniilor tradiționale de celule CAR-T, sistemele de bioreactor furnizează loturi individuale cu o valoare superioară lui 500.000 USD, în timp ce designul sistemului închis, împreună cu sistemele de control al perfuziei, minimizează riscurile de contaminare încrucișată, asigură controlul perfuziei și sprijină extinderea ușoară a gamei de dimensiuni de la 2 L până la 2.000 L, respectând în același timp cerințele FDA și cGMP300 privind sterilitatea.
Elemente de comandă retractabile și gestionare în timp real a bioreactorului
pH, temperatură, oxigen dizolvat și agitare: Rolul fiecărui parametru în proliferarea celulară și producția de produs
Funcționarea bioreactorilor poate fi evaluată folosind patru parametri distincți: pH-ul, temperatura, oxigenul dizolvat (DO) și agitarea. Fiecare dintre acești parametri are domenii strict definite. Abaterile de temperatură în afara intervalului ±0,5 °C față de 37 °C pot reduce în mod semnificativ ratele de creștere cu 50 % și pot provoca stres celular. Devierile de pH din intervalul optim de 7,2–7,4 pot duce la pierderea viabilității celulare cu peste 30 %, datorită modificărilor metabolice. DO trebuie menținut între 30 % și 60 % din saturație. Nerealizarea acestui interval conduce la o stare de hipoxie imposibil de gestionat, care poate împiedica metabolismul aerob, în timp ce un exces de DO poate cauza stres oxidativ și pierderea celulelor cu aproximativ 25 %. Agitarea are rolul de a asigura omogenitatea în bioreactor; totuși, un grad ridicat de agitare poate genera stres mecanic excesiv și distrugerea liniilor celulare fragile. Toți cei patru parametri influențează direct calitatea anticorpilor monoclonali terapeutici, precum și modelele lor de glicozilare și formarea agregatelor. Este necesar un grad extrem de control asupra acestor parametri pentru a garanta conformitatea cu standardele Atributelor Critice de Calitate (CQA).
Asigurarea consistenței și conformității cu liniile directoare FDA CMC
Bioreactorii trebuie să utilizeze sisteme moderne de control pentru a integra cei patru parametri: temperatură, pH, DO (oxigen dizolvat) și agitare, cu limite de control stabilite într-un domeniu prestabilit. Acest tip de sistem de control asigură un control în buclă închisă al următoarelor elemente:
Spargerea cu CO₂ pentru controlul pH-ului
Schimbătoarele de căldură pentru controlul temperaturii
Amestecarea gazelor pentru controlul DO (oxigenului dizolvat)
Agitarea reglabilă
Utilizarea controlului în buclă închisă asigură consistența sistemelor de bioreactori la nivelul loturilor, cu o variabilitate sub 5%, consolidând astfel setul standard de control CMC (Chimie, Producție și Control) stabilit de FDA. Sistemele integrate de control din cadrul bioreactorilor permit utilizarea sistemelor de înregistrare a datelor, esențiale pentru reglementarea producției biologice și care oferă sistemului de control o calitate predictivă. Sistemele de control sunt întărite prin semnături metabolice de control, reducând pierderile cauzate de abateri cu 40% în sistemele de producție certificate conform Bunelor Practici de Fabricație (GMP).
Alegerea tehnologiei și a sterilității în sistemele scalabile de bioreactori
Sisteme construite cu tehnologii SIP/CIP și procesare asistată/închisă pentru reducerea contaminării
Garantia producătorului privind produsul steril începe cu asigurarea sterilității. Sistemele SIP și CIP, deși pot decontamina bioreactoarele din oțel inoxidabil, necesită resurse foarte mari și lasă loc pentru numeroase erori. Într-o comunicare recentă a FDA (2023) se menționează contaminarea și retragerile de pe piață cauzate de contaminare în domeniul biofarmaceutic ca fiind principala cauză a retragerilor de pe piață a produselor biologice. În domeniul biofarmaceutic, paradigma „bioreactor unic folosință” din procesarea biotehnologică, inovată prin intermediul unor saci flexibili, presterilizați și utilizabili o singură dată, elimină necesitatea sistemelor SIP și CIP, îmbunătățește timpii de rotație și reduce riscul de contaminare încrucișată cu până la 40%. Atunci când sunt utilizate împreună cu procesarea suportată/închisă, în care traseele fluide sunt etanșate de la momentul inoculării până la momentul recoltării, se creează o barieră robustă și sigură împotriva contaminării, fără precedent în industrie. Principalele producători din domeniul biofarmaceutic au raportat o reducere cu 90 % a eșecurilor de loturi în urma adoptării sistemelor integrate, închise și de unică folosință.
Principalele provocări în mărirea dimensiunilor proceselor din bioreactoare biochimice, de la 2 L (nivel de bancă) la 20.000 L (producție conform bunelor practici de fabricație - GMP)
Provocările legate de mărirea dimensiunilor operațiunilor în bioreactoare reprezintă o combinație între probleme biologice și ingineresti, dintre care trei rămân principale:
1. Deteriorarea celulelor datorită stresului de forfecare: Cu o creștere a volumului de lichid și, implicit, a dimensiunii vasului, forțele de forfecare în amestec devin mai pronunțate. Aceasta poate duce la deteriorarea celulelor sensibile la forțele de forfecare.
2. Transferul gazelor: Fără utilizarea unor tehnologii optimizate de spargere sau de transfer de masă, oxigenul nu poate difuza în bioreactor în volume mai mari de 1.000 L.
3. Parametrii ingineresci ai procesului: În volumul procesat într-un vas de bioreactor apar gradienți de pH, temperatură și alți parametri. Acești parametri sunt inconstanți și neuniformi.
Îndeplinirea cerințelor FDA privind caracterizarea, fabricarea și controlul (CMC) la scară comercială: Cu cât scara este mai mare, cu atât devine mai dificilă îndeplinirea cerințelor de validare.
Procesul de scalare cu succes necesită o înțelegere semnificativă atât a parametrilor, cât și, cel mai important, a comportamentului dinamic al procesului, și nu doar o înțelegere a valorilor de referință. Utilizarea bioreactorilor cu perfuzie permite menținerea unui mediu constant de cultură celulară, care conține nutrienții necesari celulelor, precum și capacitatea de a elimina deșeurile metabolice produse de celule. Utilizarea sistemelor de senzori de înaltă fidelitate permite procesului să efectueze modificări în timp real, în mod autonom, pentru a controla parametrii necesari.
Într-un studiu din 2023 realizat de Institutul Ponemon s-a raportat că, în medie, un singur proces eșuat de scalare are un cost asociat producătorului de 740.000 USD.
Cealaltă provocare majoră în extinderea operațiunilor cu bioreactoare constă în faptul că sistemele modulare cu utilizare unică păstrează o limitare materială a celor mai multe sisteme de bioreactoare, de 2.000 L capacitate volumetrică. Pentru operațiunile cu bioreactoare la scară ultra-mare (cu o capacitate volumetrică mai mare de 15.000 L), sistemele lider rămân în continuare cele din oțel inoxidabil, indiferent de limitările și sarcinile impuse de cerințele de validare a sterilizării cu abur.
În scurt:
Care sunt avantajele bioreactoarelor cu utilizare unică comparativ cu bioreactoarele din oțel inoxidabil?
Bioreactoarele cu utilizare unică simplifică procesul de timp de întoarcere (turnaround time), reducând la minimum posibilitățile de contaminare și eliminând necesitatea curățării și sterilizării, ceea ce duce la o reducere a timpului de întoarcere cu până la 40%.
Care parametri critici ai procesului de bioreactor influențează bioreactoarele?
Pentru calitatea produsului, precum și pentru ratele de creștere celulară și randamentul general, pH-ul, temperatura, oxigenul dizolvat și agitarea sunt toți parametri critici de proces. Controlul strict al tuturor acestor parametri este necesar în producție, de exemplu, pentru a asigura atributele de calitate ale anticorpilor monoclonali.
Care este semnificația sistemelor de bioreactori monouză?
Sistemele de bioreactori monouză, împreună cu sistemele de procesare închise, oferă cea mai înaltă formă de control al sterilizării, care reprezintă aspectul cel mai crucial al bioreactorilor pentru prevenirea contaminării. Contaminarea este cauza principală a defectărilor bioreactorilor și, în cele din urmă, duce la nerespectarea reglementărilor, având ca rezultat retrageri de pe piață.