Các ứng dụng của bộ phản ứng sinh học trong các phương thức dược phẩm sinh học chủ chốt
Sản xuất kháng thể đơn dòng: Sản xuất 'sữa' từ tế bào CHO trong các bộ phản ứng sinh học bằng thép không gỉ và loại dùng một lần
Việc sản xuất hàng loạt kháng thể đơn dòng (mAbs) phụ thuộc vào các bioreactor nuôi cấy tế bào buồng trứng chuột lang Trung Quốc (CHO) ở quy mô công nghiệp. Hệ thống làm bằng thép không gỉ có khả năng đáp ứng nhu cầu về thể tích lớn, trong khi các bioreactor dùng một lần giúp đơn giản hóa thiết kế và loại bỏ các bước làm sạch và khử trùng tốn thời gian trong quá trình vận hành bioreactor, từ đó nâng cao tốc độ sản xuất theo mẻ và giảm nguy cơ nhiễm khuẩn lên đến 40%. Cả hai phương pháp này đều cung cấp một hệ thống phản hồi nhanh nhạy để kiểm soát việc cung cấp dinh dưỡng và xử lý chất thải, cho phép đạt mật độ tế bào vượt quá 20 triệu tế bào/mL đồng thời duy trì chất lượng và năng suất kháng thể ổn định. Các bioreactor sản xuất hơn 80% protein điều trị có nguồn gốc từ tế bào CHO theo hệ thống sản xuất từng mẻ đảm bảo và duy trì các đặc tính chất lượng quan trọng (CQA) cũng như tính nhất quán của các protein điều trị được sản xuất.
Sản xuất vắc-xin và liệu pháp tế bào: Tăng quy mô vector virus và sản xuất sinh học tự thân / đồng loại
Các bioreactor (lò phản ứng sinh học) đóng vai trò then chốt trong việc sản xuất các vector virus cần thiết cho phát triển vắc-xin, đồng thời hỗ trợ sản xuất adenovirus và lentivirus ở nồng độ trên 10⁹ hạt virus trên mỗi mililit. Hơn nữa, các bioreactor tạo điều kiện thực hiện liệu pháp tế bào bằng cách cung cấp môi trường để nuôi cấy và mở rộng cả tế bào T lấy từ bệnh nhân (tự thân) lẫn các dòng tế bào 'sẵn có' (đồng loại), đồng thời duy trì ổn định về đặc tính biểu hiện kiểu hình và trạng thái tế bào. Trong phát triển quy trình và sản xuất các dòng tế bào CAR-T truyền thống, các hệ thống bioreactor có khả năng tạo ra từng mẻ riêng lẻ trị giá trên 500.000 USD; đồng thời, thiết kế hệ thống kín kết hợp với hệ thống kiểm soát vi tuần hoàn giúp giảm thiểu rủi ro nhiễm chéo, kiểm soát chính xác tốc độ vi tuần hoàn và hỗ trợ dễ dàng mở rộng dải quy mô từ 2L lên đến 2.000L, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu vô trùng của FDA và cGMP300.
Các yếu tố điều khiển có thể thu gọn và quản lý bioreactor theo thời gian thực
pH, nhiệt độ, oxy hòa tan và khuấy trộn: Vai trò của từng thông số trong sự sinh sôi tế bào và sản lượng sản phẩm
Hoạt động của các bioreactor có thể được đánh giá thông qua bốn thông số riêng biệt, cụ thể là pH, nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan (DO) và mức độ khuấy trộn. Mỗi thông số này đều có khoảng giá trị giới hạn một cách nghiêm ngặt. Sự chênh lệch nhiệt độ vượt quá ±0,5°C so với mức 37°C có thể làm giảm mạnh tốc độ tăng trưởng tới 50% và gây căng thẳng tế bào. Sự thay đổi pH ra ngoài khoảng tối ưu 7,2–7,4 có thể dẫn đến mất hơn 30% khả năng sống sót của tế bào do những thay đổi trong chuyển hóa. Nồng độ oxy hòa tan (DO) phải được duy trì trong khoảng từ 30% đến 60% độ bão hòa. Việc không đạt được khoảng giá trị này sẽ dẫn đến tình trạng thiếu oxy (hypoxia) không kiểm soát được, từ đó cản trở quá trình chuyển hóa hiếu khí; trong khi DO quá cao lại có thể gây căng thẳng oxy hóa và làm mất khoảng 25% tế bào. Khuấy trộn nhằm đảm bảo tính đồng nhất trong bioreactor; tuy nhiên, mức độ khuấy trộn quá mạnh có thể gây ra lực cắt quá mức và làm tổn thương các dòng tế bào mỏng manh. Cả bốn thông số này đều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng kháng thể đơn dòng điều trị cũng như các đặc điểm glycosyl hóa và sự hình thành các tập hợp (aggregate) của chúng. Cần kiểm soát cực kỳ chặt chẽ các thông số này để đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn về Thuộc tính Chất lượng Quan trọng (Critical Quality Attribute – CQA).
Đảm bảo tính nhất quán và tuân thủ các hướng dẫn CMC của FDA
Các bioreactor phải sử dụng các hệ thống điều khiển hiện đại để tích hợp bốn thông số: nhiệt độ, pH, nồng độ oxy hòa tan (DO) và khuấy trộn, với các giới hạn điều khiển nằm trong một dải giá trị đã thiết lập trước. Loại hệ thống điều khiển này đảm bảo điều khiển vòng kín đối với:
Thổi khí CO₂ để điều chỉnh pH
Bộ trao đổi nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ
Trộn khí để điều chỉnh nồng độ oxy hòa tan (DO)
Khuấy trộn có thể điều chỉnh
Việc sử dụng điều khiển vòng kín đảm bảo tính nhất quán của các hệ thống bioreactor theo mẻ ở mức biến thiên dưới 5%, củng cố bộ tiêu chuẩn CMC (Hóa học, Sản xuất và Kiểm soát) do FDA ban hành. Các hệ thống điều khiển tích hợp trong bioreactor cho phép sử dụng các hệ thống ghi dữ liệu — yếu tố then chốt đối với việc tuân thủ quy định trong sản xuất sinh học và mang lại khả năng dự báo chất lượng cho hệ thống điều khiển. Các hệ thống điều khiển được tăng cường bởi các dấu hiệu kiểm soát chuyển hóa, giúp giảm tổn thất do sai lệch tới 40% trong các hệ thống sản xuất đạt chứng nhận Thực hành sản xuất tốt (GMP).
Lựa chọn Công nghệ và Vô trùng trong Các Hệ thống Bioreactor Quy mô Lớn
Các hệ thống được xây dựng với công nghệ SIP/CIP và hỗ trợ/quy trình kín nhằm giảm thiểu nguy cơ nhiễm khuẩn
Bảo đảm của nhà sản xuất về tính vô trùng của sản phẩm bắt đầu từ việc đảm bảo tính Vô trùng. Các hệ thống SIP (tiệt trùng tại chỗ) và CIP (làm sạch tại chỗ), mặc dù có khả năng khử nhiễm các bioreactor làm bằng thép không gỉ, nhưng lại tiêu tốn rất nhiều tài nguyên và vẫn còn nhiều khả năng xảy ra sai sót. Theo thông tin mới nhất từ FDA (năm 2023), ô nhiễm và các đợt thu hồi do ô nhiễm trong lĩnh vực dược phẩm sinh học là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến việc thu hồi các sản phẩm sinh học trong quá trình sản xuất. Trong lĩnh vực dược phẩm sinh học, mô hình «bioreactor dùng một lần» trong quy trình công nghệ sinh học—được đổi mới nhờ sử dụng các túi linh hoạt, đã được tiệt trùng sẵn và dùng một lần—loại bỏ hoàn toàn nhu cầu áp dụng SIP và CIP, đồng thời cải thiện thời gian vận hành vòng quay và giảm nguy cơ nhiễm chéo lên tới 40%. Khi được kết hợp với quy trình hỗ trợ/kín, trong đó các đường dẫn chất lỏng được niêm phong kín từ thời điểm cấy giống cho đến thời điểm thu hoạch, một rào cản vững chắc và an toàn chống ô nhiễm được hình thành—một giải pháp chưa từng có tiền lệ trong ngành. Các nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực dược phẩm sinh học đã báo cáo mức giảm tới 90% số lần thất bại trong các mẻ sản xuất sau khi áp dụng các hệ thống tích hợp, kín và dùng một lần.
Những Thách Thức Chính Khi Mở Rộng Quy Trình Phản Ứng Hóa Sinh Từ Thiết Bị Phòng Thí Nghiệm 2 L Lên Quy Mô Sản Xuất GMP 20.000 L
Các thách thức trong việc mở rộng quy mô hoạt động của bioreactor là sự kết hợp giữa các vấn đề sinh học và kỹ thuật, trong đó ba vấn đề sau đây vẫn là trọng tâm:
1. Tổn thương tế bào do ứng suất cắt: Khi thể tích chất lỏng tăng lên, kích thước thiết bị cũng lớn hơn, dẫn đến lực cắt trong quá trình khuấy trộn trở nên mạnh hơn. Điều này có khả năng gây tổn hại cho các tế bào nhạy cảm với lực cắt.
2. Chuyển khối khí: Nếu không sử dụng công nghệ sục khí hoặc chuyển khối tối ưu, oxy sẽ không thể khuếch tán vào bioreactor ở các quy mô lớn hơn 1.000 L.
3. Các Thông Số Quy Trình Kỹ Thuật: Trong thể tích xử lý của một thiết bị bioreactor xuất hiện các gradient về pH, nhiệt độ và các thông số khác. Những thông số này không đồng nhất và phân bố không đều.
Đáp Ứng Yêu Cầu Về Chất Lượng, Sản Xuất Và Kiểm Soát (CMC) của FDA ở Quy Mô Thương Mại: Quy mô càng lớn thì mức độ khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu xác nhận càng gia tăng.
Quy trình mở rộng quy mô thành công đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cả các thông số và, quan trọng nhất, về hành vi động học của quy trình — chứ không chỉ đơn thuần là hiểu biết về các giá trị đặt trước (setpoints). Việc sử dụng các bioreactor kiểu thấm (perfusion bioreactors) cho phép duy trì môi trường nuôi cấy tế bào ổn định, chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho tế bào cũng như khả năng loại bỏ các sản phẩm chuyển hóa thải ra bởi tế bào. Việc sử dụng các hệ thống cảm biến độ chính xác cao cho phép quy trình tự động điều chỉnh trong thời gian thực nhằm kiểm soát các thông số cần thiết.
Theo một nghiên cứu năm 2023 của Viện Ponemon, trung bình mỗi lần mở rộng quy mô thất bại gây tốn kém cho nhà sản xuất khoảng 740.000 đô la Mỹ.
Thách thức lớn khác trong việc mở rộng quy mô hoạt động của bioreactor là các hệ thống dùng một lần theo mô-đun vẫn chịu giới hạn về vật liệu, khiến hầu hết các hệ thống bioreactor chỉ đạt dung tích tối đa 2.000 L. Đối với các hoạt động bioreactor quy mô cực lớn (dung tích trên 15.000 L), các hệ thống dẫn đầu hiện nay vẫn là hệ thống làm bằng thép không gỉ, bất chấp những hạn chế và gánh nặng liên quan đến yêu cầu xác thực tiệt trùng bằng hơi nước.
Tóm lại:
Những ưu điểm của bioreactor dùng một lần so với bioreactor làm bằng thép không gỉ là gì?
Bioreactor dùng một lần giúp đơn giản hóa quy trình thời gian chuyển đổi, giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn và loại bỏ nhu cầu vệ sinh và tiệt trùng, nhờ đó rút ngắn thời gian chuyển đổi lên tới 40%.
Những thông số quy trình bioreactor then chốt nào ảnh hưởng đến hoạt động của bioreactor?
Đối với chất lượng sản phẩm cũng như tốc độ tăng trưởng tế bào và năng suất tổng thể, pH, nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan và khuấy trộn đều là các thông số quy trình then chốt. Việc kiểm soát chặt chẽ tất cả các thông số này là bắt buộc trong sản xuất, ví dụ như các đặc tính chất lượng của kháng thể đơn dòng.
Hệ thống bioreactor dùng một lần có ý nghĩa gì?
Các hệ thống bioreactor dùng một lần, cùng với các hệ thống xử lý kín, cung cấp hình thức kiểm soát vô trùng ở mức cao nhất — đây là yếu tố quan trọng nhất của bioreactor nhằm ngăn ngừa nhiễm khuẩn. Nhiễm khuẩn là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự cố bioreactor và cuối cùng dẫn đến việc không tuân thủ quy định, từ đó gây ra việc thu hồi sản phẩm.