Zmogljivostna enakovrednost: Ali se enkratni bioreaktorji za gojenje celic približujejo nerjavnim jeklenim glede ključnih procesnih kazalcev?
kLa, enakomernost mešanja in nadzor procesa v realnem času na komercialni ravni
Za ohranitev življavnosti celic je ključnega pomena oskrba s kisikom. Volumetrični koeficient prenosa kisika (kLa) predstavlja ustrezno merilo. Nerjavnih jeklenih bioreaktorjev dosežejo vrednost kLa večjo od 0,02 s⁻¹ pri komercialni velikosti 20 000 L z izdelanimi sistemom mešalnika in razpršilnika. Enkrat uporabljivi bioreaktorji omogočajo volumetrično nadzorovanje do 2000 L. Enkrat uporabljivi bioreaktorji imajo sklapljive vreče, pri čemer se mehansko mešanje po določeni točki zruši. To povzroči gradient kisika, ki presega zgornjo cono bioreaktorja za več kot 15 %. Nekatere druge izboljšave pri nadzoru in stabilnosti ob izdelavi bioreaktorja – na primer uporaba usmerjenih segmentnih pregrad in heličnih mešalnikov – so omogočile doseči stacionarno odstopanje manj kot 10 %. Nadzor v realnem času doseže enako raven nadzora kot pri stalnih bioreaktorjih z integriranim nadzorom pH in raztopljenega kisika pri nadzornih intervalih 2 sekundi. Pri kulturah z izjemno visoko gostoto celic več kot 50 milijonov celic/mL ostaja nadzor z nerjavnih jeklenih bioreaktorjev z variabilnim nadzorom raztopljenega kisika še naprej nadmočen.
Tveganja glede varnosti materialov in združljivosti bioreaktorjev za kulturo celic: izpiralci in ekstrahirani delci
Sestavni deli bioreaktorja iz plastike lahko povzročijo kemično migracijo znotraj medija. Tako izpirki kot izvlečki se lahko migrirajo in nabirajo do citotoksičnih koncentracij. Primer tega je bis(2-etilheksil) ftalat (DEHP). Gre za plastični mehčalec, pri koncentraciji le 0,5 ppm pa DEHP lahko povzroči disfunkcijo mitohondrijev. Podobna situacija velja tudi za izpirke in izvlečke. Mednarodni svet za usklajevanje (ICH) Q5A(R2) ter Združena državna farmakopeja (USP) <665> sta določili omejitev izpostavljenosti znanim karcinogenom na največ en mikrogram na dan. V klinični praksi izpirki in izvlečki povzročajo odmik pH-vrednosti ali zaviranje rasti v približno 12 % primerov zgodnjih uporabnikov. Manj kot 36 % konstrukcij filmskih večplastnih slojev prve generacije, ki vključujejo pregradno prevleko iz etilen-vinil alkohola (EVOH), zagotavlja izvlečke na ravni manj kot 78 %. Nedavno so dobavitelji začeli vpeljevati preskuse staranja za oceno dolgoročne celovitosti materialov, pri čemer se pospešeno staranje izvaja največ 18 mesecev. Kompleksne študije za oceno obsega izpirkov in izvlečkov resnično podaljšajo razvoj procesov za 8–12 tednov, kar ni nepomembno za programe v klinični fazi.
Skupni stroški lastništva: kompromisi za bioreaktorje za kulturo celic glede kapitalske učinkovitosti nasproti obratovanju
Pri ocenjevanju operativnih in začetnih varčevanj je mogoče natančno oceniti stroške bioreaktorjev za kulturo celic. To je najbolj očitno pri primerjavi stroškov vpeljave enkrat uporabljivih bioreaktorjev in serijskih bioreaktorjev. Transakcijski stroški, povezani z nedisponibilnimi sistemi iz nerjavnega jekla, lahko presegajo 10 milijonov dolarjev; transakcijski stroški za nedisponibilne enkrat uporabljive sisteme so znatno nižji. Dolgoročni stroški, povezani z obratovalnimi sistemi, ki sestavljajo enkrat uporabljive serijске sisteme, določajo isti obratovalni dejavniki.
Analiza presečišča: frekvenci serij, obsegu in tipu izdelka se določa konkurenčna prednost
Enkratni bioreaktorji postanejo najbolj stroškovno učinkoviti tam, kjer je prednost dana fleksibilnosti. Pri terapijah, ki se povečujejo do ≤2.000 L z ≤12 serijami na leto, enkratni sistemi zmanjšajo skupne stroške lastništva (TCO) za 18–34 %, saj odpravljajo potrebo po validaciji čiščenja na mestu (CIP) in validaciji sterilizacije na mestu (SIP), poleg tega pa se zmanjša tudi prostoj čas (BioProcess International 2023). Za visokovredne izdelke, kot so monoklonska protitelesa, se s hitrimi preklopi med serijami prav tako doseže večja stroškovna varčevanja, saj postanejo zamude v tržnih kampanjah, ki jih lahko povzroči proizvodni proces, zanemarljive.
Skriti stroški: validacija, energijsko zahtevni CIP/SIP, ravnanje z odpadki in zapletenost sterilizacije
Enkratni sistemi odpravljajo potrebo po sterilizaciji z vodno paro. Vendar ustvarjajo nekaj posebnih kategorij stroškov.
Validacija: ponavljajoči se stroški testiranja izpiralcev/ekstrahiranih snovi znašajo 500.000–740.000 USD na platformo (Ponemon Institute, 2023)
Logistika odpadkov: Strošek odstranjevanja plastičnih materialov, uporabljenih v obratu, znaša 120–200 USD na m³, kar je skoraj 2,5-krat več kot strošek 80 USD/m³ za obdelano odpadno vodo.
Energija: Vsak jekleni posod z nerjavnim jeklom se uporabi za čiščenje in sterilizacijo (CIP/SIP) ter porabi 3,2 megavatna ure na mesec, kar je dovolj za oskrbo 300 gospodinjstev v ZDA.
Ti dejavniki pomembno premaknejo točko donosnosti. Proizvodna podjetja, ki imajo trajno veliko in stabilno masovno proizvodnjo, pogosto ostaneta pri sistemih iz nerjavnega jekla, kljub višjim kapitalskim/začetnim naložbam, saj ti sistemi zagotavljajo kombinacijo trdnosti in predvidljivih povračilnih stroškov več kot 15 let.
Operativna gibljivost in trajnostnost: strateška vrednost enkratno uporabljivih bioreaktorjev za kulturo celic
Hitra prenova, odzivnost pri oskrbi za klinične potrebe in zmanjšano tveganje križne kontaminacije
Enkratni bioreaktorji povečajo operativno učinkovitost, saj odpravljajo dneve čakanja na validacijo CIP in cikle SIP, kar omogoča hitre spremembe v nekaj urah. Enako gibkost je potrebna tudi v dobavnih verigah za klinične potrebe. Objekti v študiji so dosegli dodatno učinkovitost, saj so kampanje lahko začeli za 30–50 % hitreje, kar je omogočilo proizvodnjo materialov za pridobitev dovoljenja za klinične raziskave (IND) ter pripravljenost za klinične preskuse faze I in II v krajšem času. Izgube serij zaradi kontaminacije v sistemu bioreaktorjev so bile za 72 % nižje kot pri večini drugih sistemov bioreaktorjev z zapletenimi CIP/SIP protokoli. Ta sistem bioreaktorjev je predsteryliziran, zaprt sistem z deljenimi tekočinskimi potmi. Zanesljivost bioreaktorjev je ključnega pomena, še posebej v večnamenskih objektih, ki v skupni infrastrukturi obravnavajo tako virusne vektorje kot tudi monoklonska protitelesa (mAbs).
Okoljski odtis in odpornost dobavne verige: Logistika odstranjevanja in odvisnost od polimerov
V primerjavi z bioreaktorji iz nerjavnega jekla enkratni bioreaktorji zmanjšajo količino porabljene vode (≤1.000 L na serijo) in količino porabljene energije (≤65 %), kar izhaja iz njihovega načrtovanja, saj ni potrebna sterilizacija; vendar to ne pomeni večje trajnostnosti. Čeprav odpadki iz polimerov za bioreaktorje v biotehnološki in farmacevtski industriji predstavljajo le 0,002 % letnega globalnega plastičnega odpadka, kljub temu prispevajo pomembno količino polimerov na odlagališča ter precejšnjo količino komunalnih trdnih odpadkov. Nekatere nedavno predlagane nove »biološke« polietilenske polimere C₂H₄ imajo optimistične modularne oblikovne rešitve za vrečke. Rezultati v smislu trajnostnosti niso odraz tega, katero tehnologijo uporabljamo, temveč kako obratovalci določajo rezultate, ki jih ta tehnologija prinese.
Pogosta vprašanja
Kaj je kLa?
KLa (volumetrični koeficient prenosa kisika) se nanaša na hitrost izmenjave plinov v večini raztopin v bioreaktorju, kar je proces, ki pomaga ohranjati življenjsko sposobnost celic, še posebej v večjih sistemih bioreaktorjev iz nerjavnega jekla.
Kaj so izlužljivi/izvlečljivi materiali?
Izlužljivi materiali so citotoksične snovi, ki se raztopijo v gojiščnem mediju med redno obratovanjem, medtem ko so izvlečljivi materiali citotoksične snovi, ki se sprostijo pri nenormalnih in prekomernih pogojih.
Kakšni so obratovalni stroški enkrat uporabljivih bioreaktorjev v primerjavi z jeklenimi bioreaktorji?
Enkrat uporabljivi bioreaktorji imajo znatno znižane kapitalske stroške in so za majhne serije ter za bioreaktorje, ki se uporabljajo v neprekinjenem obratovanju, bolj ekonomični kot bioreaktorji iz nerjavnega jekla. Kljub temu lahko enkrat uporabljivi bioreaktorji povzročijo dodatne stroške odpadkov in stroške validacije.
Kakšne so težave na koncu življenjske dobe enkrat uporabljivih bioreaktorjev in njihov vpliv na okolje?
Enkrat uporabljivi bioreaktorji imajo manjši vpliv na porabo vode in energije, vendar omejitve glede cenovne ugodnosti in dostopnosti recikliranja medicinskih folij vodijo do bioreaktorjev z omejenimi možnostmi za končno rabo in omejeno trajnost.