Uporabe bioreaktorjev pri ključnih biotehnoloških modalitetah
Proizvodnja monoklonalnih protiteles: proizvodnja mleka iz celic CHO v bioreaktorjih iz nerjavnega jekla in enkratno uporabnih bioreaktorjih
Masa proizvodnja monoklonalnih protiteles (mAbs) temelji na bioreaktorjih, ki na industrijski ravni gojijo kitajske jajčne celice hrvatkov (CHO). Sistemi iz nerjavnega jekla lahko zdržijo velike zahteve po prostornini, medtem ko enkratno uporabljivi bioreaktorji poenostavijo načrtovanje in izognejo časovno zahtevnim korakom čiščenja in sterilizacije, povezanim z uporabo bioreaktorjev, s čimer pospešijo hitrost serijne proizvodnje in zmanjšajo tveganje kontaminacije do 40 %. Oba pristopa zagotavljata zelo odzivni sistem za nadzor oskrbe z hranili in nadzor odpadkov, kar omogoča gostoto celic več kot 20 milijonov celic/mL ter ohranja kakovost in konstantno izkoriščanje protiteles. Bioreaktorji, ki proizvajajo več kot 80 % terapevtskih beljakovin, izpeljanih iz CHO celic, v sistemu serija za serijo, zagotavljajo in ohranjajo ključne kakovostne lastnosti (CQA) ter doslednost proizvedenih terapevtskih beljakovin.
Proizvodnja cepiv in celičnih terapij: Povečevanje količine virusnih vektorjev in avtologne/alogene bioproizvodnje
Bioreaktorji imajo ključno vlogo pri proizvodnji virusnih vektorjev, potrebnih za razvoj cepiv, ter podpirajo proizvodnjo adenovirusov in lentivirusov z titri nad 10⁹ virusnih delcev na mililiter. Poleg tega bioreaktorji omogočajo celične terapije tako, da zagotavljajo sredstvo za rast in razširjanje tako avtolognih, iz bolnikov izvirajočih T-celic kot tudi alogenskih «pripravljenih» celičnih linij, pri čemer ohranjajo fenotipsko stabilnost in stabilnost stanja celic. Pri razvoju procesa in proizvodnji tradicionalnih CAR-T celičnih linij bioreaktorski sistemi zagotavljajo posamezne serije, katerih vrednost presega 500.000 ameriških dolarjev, medtem ko zaprti sistem z sistemi za nadzor perfuzije zmanjšuje tveganje križne kontaminacije, ohranja nadzor nad perfuzijo in omogoča enostavno razširitev obsega zmogljivosti od 2 L do 2.000 L, hkrati pa izpolnjuje zahteve FDA in cGMP300 glede sterilnosti.
Vlečni nadzorni elementi in upravljanje bioreaktorja v realnem času
pH, temperatura, raztopljen kisik in mešanje: vloga vsakega parametra pri celični proliferaciji in izdelavi izdelka
Delovanje bioreaktorjev lahko ocenimo s štirimi različnimi parametri, in sicer z vrednostjo pH, temperaturo, raztopljenim kisikom (DO) in mešanjem. Vsak od teh parametrov ima strogo določene mejne vrednosti. Odstopanja temperature za več kot ±0,5 °C od optimalne vrednosti 37 °C lahko zmanjšajo hitrost rasti celic za 50 % in povzročijo celični stres. Odkloni vrednosti pH iz optimalnega območja 7,2–7,4 lahko zaradi metabolnih sprememb povzročijo izgubo življivosti celic za več kot 30 %. Vrednost DO je treba ohraniti med 30 % in 60 % nasičenosti. Če ta obseg ni dosežen, nastane neobvladljivo stanje hipoksije, ki lahko ovira aerobni metabolizem; prekomerna vsebnost DO pa lahko povzroči oksidativni stres in izgubo celic za približno 25 %. Mešanje zagotavlja enakomernost v bioreaktorju; vendar pa prekomerno mešanje lahko povzroči prevelik strižni stres in poškoduje ranljive celične linije. Vsi štirje parametri neposredno vplivajo na kakovost terapevtskih monoklonskih protiteles ter na njihove glikozilacijske vzorce in tvorbo agregatov. Za zagotavljanje skladnosti z zahtevami glede kritičnih lastnosti kakovosti (CQA) je potrebna izjemna natančnost nadzora vseh parametrov.
Zagotavljanje skladnosti in skladnosti z navodili FDA za CMC
Bioreaktorji morajo uporabljati sodobne sisteme nadzora za integracijo štirih parametrov – temperature, pH, DO (raztopljene kisika) in mešanja – z nadzornimi mejami znotraj prednastavljenega obsega. Takšen sistem nadzora zagotavlja zaprtoločni nadzor naslednjih elementov:
Sparganje z CO₂ za nadzor pH
Toplotni izmenjevalniki za nadzor temperature
Mešanje plinov za nadzor DO
Nastavljivo mešanje
Uporaba zaprtoločnega nadzora zagotavlja skladnost sistemov bioreaktorjev v seriji z variabilnostjo manj kot 5 %, kar utrjuje standardni CMC-nadzor (kemija, proizvodnja in nadzor), ki ga določa FDA. Integrirani nadzorni sistemi v bioreaktorjih omogočajo uporabo sistemov za beleženje podatkov, ki so ključni za regulacijo v bioproizvodnji ter zagotavljajo napovedno kakovost nadzornemu sistemu. Nadzorni sistemi so okrepljeni s presnovnimi nadzornimi podpisnimi znaki, kar v proizvodnih sistemih, certificiranih po načelih dobre proizvodne prakse (GMP), zmanjša izgube zaradi odstopanj za 40 %.
Izbira tehnologije in sterilnosti v skalabilnih sistemih za bioreaktorje
Sistemi, zgrajeni z tehnologijami SIP/CIP, in podpirajoči/zaprte procesi za zmanjševanje kontaminacije
Garancija proizvajalca za sterilno izdelko se začne z zagotovitvijo sterilitete. Sistemi SIP in CIP, čeprav lahko dezkontaminirajo bioreaktorje iz nerjavnega jekla, so zelo zahtevni za viri in pustijo prostor za številne napake. V nedavnem sporočilu FDA (2023) je onesnaženost in povzročeni povlek izdelkov v biotehnologiji in farmaciji navedena kot najpomembnejši razlog za povlek bioloških zdravil. V področju biotehnologije in farmacije je paradigma »enkratnih bioreaktorjev« pri bioprocesih, ki temelji na fleksibilnih, predsteriliziranih in enkratnih vrečkah, prinesla inovacijo, ki odpravi potrebo po sistemih SIP in CIP, hkrati pa izboljša čas obratovanja in zmanjša tveganje prečnega onesnaženja do 40 %. Če se uporabljajo skupaj s podpiranimi/zaprtemi procesi, pri katerih so tekočinske poti zaprte od trenutka inoculacije do trenutka pridobitve, se ustvari robustna in varna pregrada proti onesnaženju, ki nima primere v industriji. Vodilni proizvajalci v področju biotehnologije in farmacije so poročali o zmanjšanju odpovedi serij za 90 % z uvedbo integriranih, zaprtih, enkratnih sistemov.
Ključne težave pri povečevanju razmerja biokemičnih reaktorskih procesov z 2-L laboratorijskega modela na 20.000-L GMP proizvodnjo
Težave pri povečevanju razmerja delovanja bioreaktorjev so mešanica bioloških in inženirskih problemov, od katerih jih trije ostajajo ključni:
1. Poškodbe celic zaradi strižnih napetosti: Pri večjem volumnu tekočine je večji tudi reaktor, kar poveča učinke strižnih sil pri mešanju. To lahko poškoduje celice, ki so občutljive na strižne sile.
2. Prenašanje plinov: Brez uporabe optimiziranih sistemov za razprševanje ali tehnologij za prenašanje mase kisik ne more difundirati v bioreaktor pri volumnih večjih od 1.000 L.
3. Inženirske procesne parametre: V prostoru bioreaktorske posode se pojavijo gradienti pH, temperature in drugih parametrov. Ti parametri so nekonsistentni in neenakomerni.
Izpolnjevanje zahtev FDA za kakovostno, proizvodno in nadzorno dokumentacijo (CMC) na komercialni ravni: Večji razmerji povečujejo težavo pri izpolnjevanju zahtev za validacijo.
Uspešen proces povečave merila zahteva pomembno razumevanje obeh parametrov in predvsem dinamičnega obnašanja procesa, ne le razumevanje ciljnih vrednosti. Uporaba perfuzijskih bioreaktorjev omogoča ohranjanje konstantne sredice za gojenje celic, ki vsebuje hranila, potrebna za celice, ter omogoča odstranjevanje presnovnih odpadkov, ki jih celice proizvedejo. Uporaba senzorskih sistemov visoke natančnosti omogoča, da proces v realnem času samodejno spreminja potrebne parametre.
V študiji Ponemon Institute iz leta 2023 je bilo poročano, da posamezen neuspešen proces povečave merila povzroči proizvajalcu povprečne stroške v višini 740.000 ameriških dolarjev.
Druga pomembna težava pri razširjanju obratovanja bioreaktorjev je, da modularni enkratno uporabljivi sistemi ohranjajo materialno omejitev večine bioreaktorskih sistemov na prostornino 2.000 L. Za ultra-velikomashtabno obratovanje bioreaktorjev (prostornina več kot 15.000 L) so vodilni še naprej sistemi iz nerjavnega jekla, ne glede na omejitve in obremenitve, ki jih povzročajo zahteve za validacijo sterilizacije z vodno paro.
Kratko povedano:
Kakšne so prednosti enkratno uporabljivih bioreaktorjev v primerjavi z bioreaktorji iz nerjavnega jekla?
Enkratno uporabljivi bioreaktorji poenostavijo čas med posamičnimi cikli, zmanjšajo možnosti kontaminacije ter odpravijo potrebo po čiščenju in sterilizaciji, pri čemer skrajšajo čas med posamičnimi cikli celo za 40 %.
Kateri kritični parametri procesa bioreaktorjev vplivajo na bioreaktorje?
Za kakovost izdelka, hitrost rasti celic ter skupni izkoristek so pH, temperatura, raztopljen kisik in mešanje ključni procesni parametri. V proizvodnji je nujno tesno nadzorovati vse te parametre, na primer kakovostne značilnosti monoklonalnih protiteles.
Kakšen pomen imajo sistemi enkrat uporabljivih bioreaktorjev?
Sistemi enkrat uporabljivih bioreaktorjev skupaj s sistemi zaprtega procesiranja zagotavljajo najvišjo obliko nadzora sterilnosti, kar je najpomembnejši vidik bioreaktorjev za preprečevanje kontaminacije. Kontaminacija je glavni vzrok odpovedi bioreaktorjev in končno tudi neskladnosti z regulativnimi zahtevami, kar povzroči povrnitve izdelkov.