รีแอคเตอร์ชีวภาพคืออะไร และมีบทบาทอย่างไรต่อการผลิตยาชีวเภสัชภัณฑ์ในยุคปัจจุบัน

การประยุกต์ใช้ไบโอรีแอคเตอร์ในรูปแบบไบโอฟาร์มาซูติคัลหลัก

การผลิตแอนติบอดีโมโนโคลนัล: การผลิตนมจากเซลล์ CHO ในไบโอรีแอคเตอร์แบบสแตนเลสสตีลและแบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง

การผลิตแอนติบอดีโมโนโคลนัล (mAbs) จำนวนมากขึ้นอยู่กับไบโอรีแอคเตอร์ที่ใช้เพาะเลี้ยงเซลล์ไข่หนูแฮมสเตอร์จีน (CHO) ในระดับอุตสาหกรรม ระบบสแตนเลสสตีลสามารถรองรับความต้องการปริมาตรขนาดใหญ่ได้ ขณะที่ไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้แล้วทิ้ง (single-use bioreactor) ช่วยทำให้การออกแบบง่ายขึ้น และหลีกเลี่ยงขั้นตอนการทำความสะอาดและฆ่าเชื้อที่ใช้เวลานานในการใช้งานไบโอรีแอคเตอร์ จึงช่วยเพิ่มความเร็วในการผลิตแต่ละแบตช์ และลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนลงได้มากถึง 40% ทั้งสองวิธีนี้ให้ระบบที่ตอบสนองได้สูงมากต่อการควบคุมการให้อาหารและของเสีย ทำให้สามารถบรรลุความหนาแน่นของเซลล์เกิน 20 ล้านเซลล์/มล. และรักษาคุณภาพรวมทั้งผลผลิตแอนติบอดีที่สม่ำเสมอ ไบโอรีแอคเตอร์ที่ผลิตโปรตีนทางการแพทย์ที่ได้จากเซลล์ CHO มากกว่า 80% ภายใต้ระบบการผลิตแบบแบตช์ต่อบาตช์ สามารถสร้างและรักษาคุณลักษณะคุณภาพที่สำคัญ (Critical Quality Attributes: CQA) และความสม่ำเสมอของโปรตีนทางการแพทย์ที่ผลิตได้

การผลิตวัคซีนและการบำบัดด้วยเซลล์: การขยายขนาดเวกเตอร์ไวรัสและการผลิตชีวภาพแบบออโตโลจัส/อัลโลเจนิก

ไบโอรีแอคเตอร์มีบทบาทสำคัญในการผลิตเวกเตอร์ไวรัสที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาวัคซีน และสนับสนุนการผลิตอะเดโนไวรัสและเลนติไวรัสที่มีความเข้มข้นสูงกว่า 10⁹ อนุภาคไวรัสต่อมิลลิลิตร นอกจากนี้ ไบโอรีแอคเตอร์ยังช่วยให้สามารถผลิตการบำบัดด้วยเซลล์ได้ โดยให้สื่อที่เหมาะสมสำหรับการเพาะเลี้ยงและขยายเซลล์ T ที่แยกได้จากผู้ป่วย (แบบออโตโลจัส) รวมถึงสายพันธุ์เซลล์ที่ใช้ได้ทั่วไป (แบบอัลโลเจนิก หรือ 'off the shelf') ขณะยังคงรักษาเสถียรภาพของลักษณะทางฟีโนไทป์และสถานะของเซลล์ไว้ได้ ในการพัฒนากระบวนการและกระบวนการผลิตสายพันธุ์เซลล์ CAR-T แบบดั้งเดิม ระบบไบโอรีแอคเตอร์ที่ให้ชุดผลิตภัณฑ์แต่ละชุดมีมูลค่าเกิน 500,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ พร้อมทั้งออกแบบเป็นระบบปิดที่ควบคุมการไหลเวียน (perfusion) ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนข้าม (cross contamination) ควบคุมอัตราการไหลเวียนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรองรับการปรับขยายขนาดการผลิตได้อย่างง่ายดายตั้งแต่ 2 ลิตร ไปจนถึง 2,000 ลิตร ทั้งนี้ยังสอดคล้องตามข้อกำหนดด้านความปลอดเชื้อขององค์การอาหารและยาสหรัฐอเมริกา (FDA) และมาตรฐานการผลิตที่ดี (cGMP) ระดับ 300

องค์ประกอบการควบคุมแบบเลื่อนเข้า-ออกได้และการจัดการไบโอรีแอคเตอร์แบบเรียลไทม์

pH อุณหภูมิ ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ และการกวน: บทบาทของแต่ละพารามิเตอร์ต่อการเพิ่มจำนวนเซลล์และการผลิตผลิตภัณฑ์

การดำเนินงานของไบโอรีแอคเตอร์สามารถประเมินได้จากสี่พารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน ได้แก่ ค่า pH อุณหภูมิ ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ (DO) และการคนแต่ละพารามิเตอร์เหล่านี้มีช่วงค่าที่กำหนดไว้อย่างเข้มงวดอย่างยิ่ง ความเบี่ยงเบนของอุณหภูมิเกิน ±0.5°C จากค่า 37°C อาจทำให้อัตราการเจริญเติบโตลดลงอย่างรุนแรงถึง 50% และก่อให้เกิดความเครียดต่อเซลล์ การเปลี่ยนแปลงค่า pH ออกจากช่วงที่เหมาะสม (7.2–7.4) อาจนำไปสู่การสูญเสียความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์มากกว่า 30% เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางเมแทบอลิซึม ค่า DO ต้องรักษาไว้ระหว่าง 30% ถึง 60% ของระดับความอิ่มตัว การไม่สามารถรักษาค่า DO ให้อยู่ภายในช่วงดังกล่าวจะส่งผลให้เกิดภาวะขาดออกซิเจน (hypoxia) ซึ่งควบคุมได้ยากและขัดขวางกระบวนการเมแทบอลิซึมแบบใช้ออกซิเจน ในขณะที่ค่า DO สูงเกินไปอาจก่อให้เกิดความเครียดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันและทำให้สูญเสียเซลล์ประมาณ 25% การคนมีหน้าที่รับประกันความสม่ำเสมอภายในไบโอรีแอคเตอร์ อย่างไรก็ตาม การคนอย่างรุนแรงเกินไปอาจก่อให้เกิดแรงเฉือน (shear stress) ที่สูงเกินไปและทำลายสายพันธุ์เซลล์ที่บอบบาง พารามิเตอร์ทั้งสี่ตัวนี้มีอิทธิพลโดยตรงต่อคุณภาพของแอนติบอดีโมโนโคลนัลเพื่อการรักษา รวมทั้งรูปแบบการไกลโคซิเลชัน (glycosylation patterns) และการก่อตัวของสารรวม (aggregate formation) จึงจำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์เหล่านี้อย่างแม่นยำยิ่งเพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานคุณลักษณะเชิงคุณภาพที่สำคัญ (Critical Quality Attribute: CQA)

การรับรองความสอดคล้องและความสอดคล้องตามแนวทาง CMC ของสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาสหรัฐอเมริกา (FDA)

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพต้องใช้ระบบควบคุมที่ทันสมัยเพื่อผสานพารามิเตอร์ทั้งสี่ ได้แก่ อุณหภูมิ ค่า pH ความเข้มข้นของออกซิเจนละลาย (DO) และการกวน พร้อมกำหนดขอบเขตการควบคุมให้อยู่ภายในช่วงที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ระบบควบคุมประเภทนี้จะรับประกันการควบคุมแบบวงจรปิด (closed loop control) ดังนี้:

การฉีดก๊าซ CO₂ เพื่อควบคุมค่า pH

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อควบคุมอุณหภูมิ

การผสมก๊าซเพื่อควบคุมความเข้มข้นของออกซิเจนละลาย (DO)

การปรับระดับการกวนได้

การใช้ระบบควบคุมแบบวงจรปิด (closed loop control) ทำให้มั่นใจได้ว่าระบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบแบตช์จะมีความแปรปรวนน้อยกว่า 5% ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐาน CMC (Chemistry, Manufacturing and Controls) ที่สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาสหรัฐอเมริกา (FDA) กำหนด ระบบควบคุมแบบบูรณาการในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพช่วยให้สามารถใช้ระบบบันทึกข้อมูล (data logging systems) ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกำกับดูแลในกระบวนการผลิตชีวภาพ และยังมอบคุณสมบัติในการทำนายคุณภาพให้กับระบบควบคุมอีกด้วย ระบบควบคุมได้รับการเสริมประสิทธิภาพเพิ่มเติมด้วยลายเซ็นของการควบคุมทางเมแทบอลิซึม (metabolic control signatures) ซึ่งช่วยลดการสูญเสียอันเนื่องมาจากการเบี่ยงเบนลงได้ถึง 40% ในระบบที่ผลิตตามหลักเกณฑ์การปฏิบัติที่ดีในการผลิต (Good Manufacturing Practice: GMP)

การเลือกเทคโนโลยีและความปลอดเชื้อในระบบไบโอรีแอคเตอร์ที่สามารถขยายขนาดได้

ระบบที่สร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยี SIP/CIP และรองรับ/ปิดกระบวนการเพื่อลดความเสี่ยงจากการปนเปื้อน

การรับประกันผลิตภัณฑ์ที่ปราศจากเชื้อจากผู้ผลิตเริ่มต้นด้วยการรับรองความปราศจากเชื้ออย่างแท้จริง ระบบ SIP (Sterilization-in-Place) และ CIP (Cleaning-in-Place) แม้จะสามารถทำให้ถังหมักชีวภาพสแตนเลสปลอดเชื้อได้ แต่ก็ใช้ทรัพยากรสูงมากและยังเปิดช่องให้เกิดข้อผิดพลาดได้หลายประการ ในการสื่อสารล่าสุดจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาสหรัฐอเมริกา (FDA) เมื่อปี 2023 ระบุว่า การปนเปื้อนและการเรียกคืนผลิตภัณฑ์เนื่องจากการปนเปื้อนในอุตสาหกรรมชีวเภสัชภัณฑ์ เป็นเหตุผลอันดับหนึ่งของการเรียกคืนผลิตภัณฑ์ชีววัตถุ (Biologics) ในการผลิต ในอุตสาหกรรมชีวเภสัชภัณฑ์ แนวคิด 'ถังหมักชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียว' (Single-use bioreactor) ซึ่งเป็นนวัตกรรมในการแปรรูปชีวภาพที่ใช้ถุงที่ยืดหยุ่น ผ่านกระบวนการฆ่าเชื้อล่วงหน้า และทิ้งได้ ช่วยกำจัดความจำเป็นในการใช้ระบบ SIP และ CIP ไปพร้อมกับเพิ่มประสิทธิภาพเวลาในการเปลี่ยนรอบการผลิต (turnaround times) และลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนข้าม (cross-contamination) ลงได้สูงสุดถึงร้อยละ 40 เมื่อนำมาใช้ร่วมกับกระบวนการสนับสนุน/กระบวนการแบบปิด (Supporting/Closed processing) ซึ่งเส้นทางการไหลของของเหลวถูกปิดผนึกอย่างสมบูรณ์ตั้งแต่จุดเริ่มต้นของการเพาะเชื้อ (inoculation) จนถึงจุดเก็บเกี่ยว (harvest) จะสร้างเกราะป้องกันการปนเปื้อนที่แข็งแกร่งและปลอดภัยยิ่งกว่าที่ใดในอุตสาหกรรมนี้ ผู้ผลิตชั้นนำในอุตสาหกรรมชีวเภสัชภัณฑ์รายงานว่า การนำระบบแบบบูรณาการ แบบปิด และแบบใช้ครั้งเดียวไปใช้งานนั้น ช่วยลดจำนวนการล้มเหลวของแต่ละล็อตการผลิตได้ถึงร้อยละ 90

ความท้าทายสําคัญในการปรับขนาดกระบวนการปฏิกิริยาชีวเคมีจากเบนชทอป 2 ลิตร เป็นการผลิต GMP 20,000 ลิตร

ความท้าทายของการปรับขนาดการดําเนินงานของไบโอเรอคเตอร์ เป็นการผสมผสานของปัญหาทางชีววิทยาและวิศวกรรม ซึ่งมีอยู่สามประเด็นที่สําคัญ:

1. การประชุม การทําลายเซลล์ผ่านความเครียดการตัด: กับปริมาณของของเหลวที่ใหญ่ขึ้น, สะพานที่ใหญ่ขึ้น, ความแรงตัดในผสมจะชัดเจนขึ้น ซึ่งอาจทําให้เซลล์ที่รู้สึกต่อแรงตัดเสียหาย
2. การใช้ การถ่ายทอดแก๊ส: โดยไม่ใช้เทคโนโลยีการกระจายหรือการถ่ายทอดมวลที่ปรับปรุงให้ดีที่สุด ไอน้ําออกซิเจนไม่สามารถกระจายเข้าไปในบีโอเรอคเตอร์ในปริมาณที่ใหญ่กว่า 1,000 ลิตร
3. การ สร้าง ปารามิเตอร์กระบวนการวิศวกรรม: มี pH, อุณหภูมิและปริมาณการที่เกิดขึ้นทั่วปริมาณที่ประมวลผลในภาชนะ bioreactor ปริมาตรเหล่านี้ไม่สอดคล้องและไม่เท่าเทียมกัน

การตอบสนองความต้องการ CMC ของ FDA ในขนาดพาณิชย์: ยิ่งขนาดใหญ่ ยิ่งมีความท้าทายที่จะตอบสนองความต้องการการรับรอง

กระบวนการเพิ่มขนาดการผลิตให้ประสบความสำเร็จต้องอาศัยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งทั้งในด้านพารามิเตอร์ต่างๆ และที่สำคัญที่สุดคือพฤติกรรมแบบไดนามิกของกระบวนการ ไม่ใช่เพียงแค่ความเข้าใจในค่าตั้งเป้าหมาย (setpoints) เท่านั้น การใช้ไบโอรีแอคเตอร์แบบเพอร์ฟิวชัน (perfusion bioreactors) ช่วยให้กระบวนการสามารถรักษาสื่อเพาะเลี้ยงเซลล์ให้มีความสม่ำเสมอ ซึ่งประกอบด้วยสารอาหารที่จำเป็นต่อเซลล์ รวมทั้งสามารถขจัดของเสียจากการเผาผลาญที่เซลล์สร้างขึ้นได้ การใช้ระบบเซนเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง (high-fidelity sensor systems) ทำให้กระบวนการสามารถปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ที่จำเป็นได้แบบเรียลไทม์และโดยอัตโนมัติ

ในการศึกษาปี 2023 โดยสถาบันโปเนียน (Ponemon Institute) รายงานว่าโดยเฉลี่ยแล้ว แต่ละกรณีที่กระบวนการเพิ่มขนาดการผลิตล้มเหลวจะก่อให้เกิดต้นทุนแก่ผู้ผลิตจำนวน 740,000 ดอลลาร์สหรัฐ

ความท้าทายหลักอีกประการหนึ่งในการขยายขนาดการดำเนินงานของไบโอรีแอคเตอร์ คือ ระบบแบบโมดูลาร์ที่ใช้แล้วทิ้งมีข้อจำกัดด้านวัสดุซึ่งพบได้ในระบบไบโอรีแอคเตอร์ส่วนใหญ่ โดยมีความจุสูงสุดเพียง 2,000 ลิตร สำหรับการดำเนินงานของไบโอรีแอคเตอร์ในระดับที่ใหญ่เป็นพิเศษ (มีความจุเกิน 15,000 ลิตร) ระบบที่โดดเด่นที่สุดยังคงเป็นระบบที่ทำจากสแตนเลส สเตนเลส แม้จะมีข้อจำกัดและภาระจากการต้องผ่านการตรวจสอบและรับรองกระบวนการฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำ

โดยสรุป:

ข้อได้เปรียบของไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้แล้วทิ้งเมื่อเทียบกับไบโอรีแอคเตอร์แบบสแตนเลสคืออะไร

ไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้แล้วทิ้งช่วยทำให้กระบวนการเปลี่ยนผ่านระหว่างรอบการผลิต (turnaround time) ง่ายขึ้น ลดโอกาสการปนเปื้อน และตัดความจำเป็นในการทำความสะอาดและฆ่าเชื้อออกทั้งหมด ซึ่งสามารถลดระยะเวลาเปลี่ยนผ่านระหว่างรอบการผลิตได้มากถึง 40%

พารามิเตอร์กระบวนการสำคัญใดบ้างของไบโอรีแอคเตอร์ที่มีอิทธิพลต่อการทำงานของไบโอรีแอคเตอร์

สำหรับคุณภาพของผลิตภัณฑ์ รวมทั้งอัตราการเจริญเติบโตของเซลล์และผลผลิตโดยรวม ค่าพีเอช อุณหภูมิ ออกซิเจนที่ละลายอยู่ และการคน (agitation) ล้วนเป็นพารามิเตอร์กระบวนการที่มีความสำคัญยิ่ง การควบคุมพารามิเตอร์เหล่านี้อย่างเข้มงวดจึงจำเป็นอย่างยิ่งในขั้นตอนการผลิต เช่น คุณลักษณะด้านคุณภาพของแอนติบอดีโมโนโคลนอล

ระบบไบโอเรแอคเตอร์แบบใช้แล้วทิ้งมีความสำคัญอย่างไร

ระบบไบโอเรแอคเตอร์แบบใช้แล้วทิ้ง ร่วมกับระบบการประมวลผลแบบปิด (closed processing systems) ให้การควบคุมการฆ่าเชื้อในระดับสูงสุด ซึ่งถือเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของไบโอเรแอคเตอร์เพื่อป้องกันการปนเปื้อน การปนเปื้อนคือสาเหตุหลักของการล้มเหลวของไบโอเรแอคเตอร์ และในที่สุดนำไปสู่ความไม่สอดคล้องตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการเรียกคืนสินค้า