Strategie automatyzacji produkcji małych partii przeciwciał monoklonalnych

Transformacja na rynku leków biologicznych

Jednym z kluczowych czynników napędzających rozwój produkcji małych partii leków biologicznych jest zmiana struktury pipeline’u badawczo rozwojowego. W odróżnieniu od klasycznego modelu, w którym dominowały produkty rozwijane z myślą o dużych populacjach pacjentów, obecnie coraz większy udział mają terapie celowane, a leki na choroby rzadkie przeżywają swój renesans. W takich przypadkach zapotrzebowanie na produkt leczniczy na etapie klinicznym jest ograniczone, a kluczowym czynnikiem staje się szybkość i elastyczność wytwarzania.

  Na etapie badań przedklinicznych i w pierwszej fazie badań klinicznych głównym celem jest ocena bezpieczeństwa, skuteczności oraz farmakokinetyki kandydata na lek, odpowiednio w warunkach in vitro i w modelach zwierzęcych, jak i pierwszych kohort pacjentów. Produkcja w tym okresie musi być dostosowana do stosunkowo niewielkich potrzeb ilościowych, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości i powtarzalności. Badania kliniczne pierwszej fazy obejmują zazwyczaj niewielkie grupy pacjentów, a dodatkowo często obejmują testowanie różnych wariantów formulacji lub metod podania. Może to oznaczać konieczność równoległego wytwarzania kilku wersji produktu, różniących się stężeniem, postacią farmaceutyczną lub sposobem dostarczania. W takich warunkach kluczowe jest precyzyjne dopasowanie wielkości partii do rzeczywistych potrzeb badania. Wytwarzanie dużych partii na tym etapie byłoby nieefektywne ekonomicznie i operacyjnie, szczególnie biorąc pod uwagę wysokie ryzyko niepowodzenia projektu.

  Podobne wymagania dotyczą rozwoju leków stosowanych w chorobach rzadkich, gdzie populacje pacjentów są niewielkie, a produkcja wielkoskalowa nie znajduje uzasadnienia ani na etapie badań klinicznych, ani często w późniejszych fazach komercjalizacji. Również w przypadku leków biopodobnych produkcja małych partii umożliwia prowadzenie badań porównawczych i optymalizację procesu bez konieczności angażowania dużych nakładów.

  W latach 20. XXI wieku wartość elastycznych modeli wytwarzania, które umożliwiają szybkie dostosowanie skali produkcji do zmieniających się potrzeb projektu, znacząco rośnie. Produkcja małych partii staje się strategicznym narzędziem wspierającym efektywne prowadzenie badań klinicznych.

Wyzwania operacyjne i technologiczne w produkcji małych partii

Optymalizacja produkcji oraz dostosowanie skali wytwarzania leków biologicznych stanowią złożone wyzwanie, które wymaga od firm biotechnologicznych elastyczności, precyzji operacyjnej i odpowiednio dobranych rozwiązań technologicznych. Produkcja małych partii przeciwciał monoklonalnych wiąże się z szeregiem specyficznych wyzwań, które odróżniają ją od tradycyjnych procesów wielkoskalowych. Jednym z najbardziej oczywistych, a zarazem fundamentalnych wyzwań produkcji małych partii jest wysoki koszt jednostkowy wynikający z ograniczonych korzyści skali. W przeciwieństwie do produkcji masowej, gdzie koszty stałe rozkładają się na dużą liczbę jednostek, w modelu small batch każda partia obciążona jest
znaczącym udziałem kosztów przygotowawczych, walidacyjnych i logistycznych. W przypadku złożonych i kosztownych terapii biologicznych prowadzi to do istotnego wzrostu kosztu wytworzenia. Odpowiedzią na to wyzwanie jest wdrażanie podejścia platformowego oraz technologii jednorazowych, które ograniczają czas przezbrojeń i koszty operacyjne.

W przypadku małych partii produkcyjnych bardziej efektywne niż klasyczne podejście scale- up okazuje się zastosowanie strategii scale-out, która pozwala lepiej dostosować produkcję do rzeczywistego zapotrzebowania. Taka produkcja zakłada wykorzystanie bioreaktorów o tej samej objętości, ale zwiększeniu liczby jednostek pracujących równolegle. Scale-out jest powszechnie stosowane w modułowych środowiskach produkcyjnych, w których jednocześnie pracuje wiele małych bioreaktorów, często systemów jednorazowego użytku (SUS). Utrzymanie tej samej objętości bioreaktora do produkcji w hodowlach komórkowych pomiędzy fazami rozwoju lub cyklami popytu rynkowego oznacza niewielkie ryzyko dla procesu i jakości produktu w miarę zwiększania zapotrzebowania na wielkość produkcji. W przypadku produkcji małych partii leków największe zyski przynosi model high-mix / low-volume. Opiera się on na wysokiej różnorodności pipeline’u leków przy niskich objętościach dla każdego z nich, co umożliwia niemal całkowitą personalizację terapii. Model ten wiąże się również z wysoką zmiennością procesową. Zmiany konfiguracji mogą obejmować różne produkty, parametry procesowe czy ścieżki technologiczne. Gdy są częste, zwiększają ryzyko odchyleń jakościowych oraz błędów operacyjnych. W praktyce oznacza to konieczność zarządzania wieloma wariantami procesu w krótkim czasie, co stanowi istotne obciążenie dla zespołów produkcyjnych i systemów jakości. Skutecznym sposobem ograniczenia tego ryzyka jest standaryzacja procedur oraz implementacja zaawansowanych systemów kontroli procesów, w tym narzędzi technologii analizy procesów (PAT) oraz automatycznego monitorowania parametrów krytycznych. W tym zakresie znacząco ułatwiają pracę także systemy kompleksowego zarządzania laboratorium (LIMS) oraz elektroniczne systemy zarządzania jakością (eQMS). Dzięki ich aplikacji możliwe jest utrzymanie powtarzalności nawet w środowisku o wysokiej zmienności.

Szczególnie wrażliwym obszarem pozostaje zapewnienie sterylności i bezpieczeństwa produktu w warunkach aseptycznych. Produkcja małych partii już na etapie rozwoju procesu często wiąże się z większą liczbą interwencji manualnych lub półautomatycznych. Zwiększa to ryzyko kontaminacji. Ewentualne zanieczyszczenie partii może stanowić zagrożenie dla pacjentów, dlatego każda partia przy zwolnieniu wymaga potwierdzenia bezpieczeństwa lub wycofania produktu. Dodatkowo tradycyjne linie napełniające, projektowane dla dużych serii, generują znaczące straty podczas konfiguracji i rozruchu. Rozwiązaniem tego problemu jest wdrażanie zamkniętych systemów produkcyjnych, izolatorów oraz wysokiego stopnia automatyzacji operacji aseptycznych, co ogranicza udział czynnika ludzkiego i zwiększa kontrolę nad środowiskiem procesu.

  W wielu firmach systemy automatyzacji zostały zaprojektowane z myślą o ciągłej produkcji dużych objętości. Ich architektura często nie pozwala na szybkie i efektywne rekonfiguracje, co czyni je nieadekwatnymi do potrzeb produkcji małych partii. Sztywne systemy utrudniają zmianę parametrów, integrację nowych modułów czy obsługę wielu produktów w jednym środowisku. W odpowiedzi na te ograniczenia coraz większe znaczenie zyskują elastyczne, modułowe systemy automatyzacji oraz rozwiązania oparte na otwartych standardach, które umożliwiają szybkie dostosowanie konfiguracji procesu.
  Nie mniej istotnym wyzwaniem jest kontrola łańcucha dostaw, która w przypadku produkcji małych partii w standardzie GMP wymaga znacznie większej precyzji niż w modelu wielkoskalowym. Nadwyżki zapasów prowadzą do zamrożenia kapitału i ryzyka przeterminowania materiałów, natomiast ich niedobór może skutkować opóźnieniami w produkcji zaburzeniem harmonogramów badań klinicznych. W dynamicznym środowisku małych partii kluczowe staje się wdrożenie systemów zarządzania zapasami w czasie rzeczywistym, zintegrowanych z planowaniem produkcji        i zaopatrzeniem. Ustalanie optymalnych punktów ponownego zamówienia, regularne inwentaryzacje oraz budowanie stabilnych relacji z dostawcami pozwalają ograniczyć ryzyko operacyjne i zwiększyć płynność procesów.

  Ostatnim, lecz coraz bardziej odczuwalnym wyzwaniem są niedobory wykwalifikowanej kadry oraz luki kompetencyjne. Produkcja leków biologicznych, szczególnie w modelu elastycznym, wymaga personelu o szerokich kompetencjach. Muszą być oni ekspertami z zakresu procesów biotechnologicznych, ale też biegle obsługiwać zaawansowane systemy i rozumieć wymagania jakościowe i regulacyjne. Jednocześnie rynek pracy staje się coraz bardziej konkurencyjny, co utrudnia pozyskiwanie i utrzymanie specjalistów. Inwestowanie w rozwój kompetencji wewnętrznych oraz   w wewnątrzfirmowe programy szkoleniowe wspierają budowanie środowisko pracy, sprzyjającego utrzymaniu talentów.

Platformowe podejście do produkcji mAb na małą skalę

Odpowiedzią na powyższe wyzwania jest rozwój platformowego podejścia do produkcji przeciwciał monoklonalnych. Z perspektywy technologicznej koncepcja ta opiera się na standaryzacji lub automatyzacji kluczowych elementów procesu:

• Rozwoju linii komórkowych
• Optymalizacji buforów i mediów hodowlanych
• Ram procesu oczyszczania leku
• Panelu analitycznego

Platformy procesowe umożliwiają skrócenie czasu wdrożenia nowych produktów oraz ograniczenie ryzyka technologicznego. Dzięki wykorzystaniu sprawdzonych parametrów procesowych możliwe jest szybkie przejście od etapu rozwoju do produkcji GMP, co ma szczególne znaczenie w środowisku projektów klinicznych.

Projektowanie procesów upstream

Centralnym elementem procesów upstream jest rozwój linii komórkowej, która będzie zdolna do wysokowydajnej produkcji przeciwciała o odpowiednich właściwościach jakościowych. Proces ten rozpoczyna się od transfekcji komórek gospodarza (najczęściej linii CHO), a następnie przechodzi przez etap selekcji klonalnej, który ma kluczowe znaczenie dla dalszego powodzenia procesu. Wybór odpowiedniego klona nie ogranicza się wyłącznie do oceny wydajności. Istotna jest jakość końcowego produktu w tym profilu glikozylacji, poziomu agregacji, obecności wariantów oraz stabilności linii. Selekcja klonalna prowadzona jest przy użyciu zaawansowanych metod, takich jak izolacja pojedynczych komórek, a następnie ich namnażanie i screening wysokoprzepustowy. Kluczowym wyzwaniem jest zachowanie monoklonalności linii. W praktyce wymaga to odpowiedniego doboru metod izolacji, ich walidacji oraz dokumentowania zgodnie z wymaganiami regulacyjnymi.

Po wyborze klona następuje etap jego charakterystyki i stabilizacji, obejmujący badania stabilności genetycznej i produktywności w czasie (tzw. stability studies). Ocenia się m.in. zdolność do utrzymania poziomu ekspresji oraz niezmienność krytycznych atrybutów jakościowych produktu         w kolejnych pasażach komórkowych. Stabilność ta ma bezpośredni wpływ na powtarzalność procesu produkcyjnego. Optymalizacja procesu hodowli w bioreaktorach w modelu platformowym musi być dostosowana do wymagań produkcyjnych. Krytyczne parametry procesu (CPP) obejmują m.in. pH, temperaturę, poziom tlenu rozpuszczonego (DO), szybkość mieszania, gęstość komórek oraz strategię dozowania składników odżywczych. Ich kontrola ma bezpośredni wpływ na krytyczne atrybuty jakości (CQA). Optymalizacja warunków hodowli często prowadzona jest w skali laboratoryjnej            z wykorzystaniem systemów wieloreaktorowych, co umożliwia równoległe testowanie wielu wariantów parametrów. W podejściu platformowym dąży się do zdefiniowania design space, czyli zakresu parametrów, w którym proces pozostaje stabilny i zapewnia produkt o wymaganej jakości. Przejście do skali produkcyjnej odbywa się przy zachowaniu zasad skalowania opartych na parametrach fizykochemicznych.
  Współczesne procesy optymalizacji mediów hodowlanych i buforów opierają się na chemicznie zdefiniowanych mediach serum-free, które zapewniają większą powtarzalność i bezpieczeństwo procesu. Skład medium wpływa nie tylko na wzrost komórek i wydajność produkcji, ale również na jakość produktu końcowego. Optymalizacja obejmuje dobór źródeł węgla i azotu, aminokwasów, witamin oraz dodatków, wpływających na metabolizm komórek i modyfikacje potranslacyjne. Kluczowe znaczenie ma harmonogram i feed strategy, które muszą być precyzyjnie dopasowane do fazy wzrostu komórek.
  Na granicy procesów upstream i downstream znajduje się zbiór produktu z hodowli, który powinien być przeprowadzony w sposób zapewniający maksymalną wydajność przy minimalnej degradacji produktu. Obejmuje to kontrolę czasu zakończenia hodowli, warunków zbioru oraz wstępnego klarowania (np. poprzez filtrację lub wirowanie). Parametry te mają istotny wpływ na jakość materiału wejściowego do procesu downstream.

Integracja procesów downstream

  Integracja procesów downstream rozpoczyna się od etapu klarowania zawiesiny ze zbioru produktu, którego celem jest usunięcie komórek i cząstek stałych z pożywki hodowlanej. Najczęściej wykorzystuje się kombinację wirowania i filtracji wgłębnej, co pozwala ograniczyć obciążenie kolejnych etapów oczyszczania i zwiększyć ich efektywność. Już na tym etapie platformowe podejście zakłada standaryzację parametrów operacyjnych, takich jak przepływ, ciśnienie czy charakterystyka filtrów, co umożliwia przewidywalne zachowanie procesu niezależnie od skali.
  Kluczowym elementem integracji downstream jest etap wychwytu leku, najczęściej realizowany  z wykorzystaniem chromatografii powinowactwa. W przypadku przeciwciał monoklonalnych standardem jest wykorzystanie białka A jako wysoce specyficznej metody. W wyniku tego procesu następuje szybkie skoncentrowanie produktu oraz usunięcie większości zanieczyszczeń pochodzących z komórek gospodarza, takich jak HCP czy DNA.
  Po etapie wychwytu następuje inaktywacja wirusów, zazwyczaj poprzez kontrolowaną inkubację w niskim pH. Integracja tego kroku w ramach platformy downstream ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa biologicznego produktu. Jest to także etap wymagany przez agencje regulacyjne. W praktyce stosuje się podejście wielobarierowe, w którym różne etapy procesu wykorzystują odmienne mechanizmy usuwania lub inaktywacji wirusów, co zwiększa jego niezawodność.
  Kolejnym etapem są chromatografie, których celem jest usunięcie pozostałych zanieczyszczeń w tym agregatów oraz niepożądanych wariantów ładunkowych. Poprzez zastosowanie technik chromatografii jonowymiennej (AEX, CEX) oraz chromatografii oddziaływań hydrofobowych (HIC) kolejne zanieczyszczenia są eliminowane z puli produktu. Coraz częściej stosuje się również rozwiązania w trybie flow-through oraz materiały multimodalne, które zwiększają wydajność i odporność procesu na zmienność surowca w porównaniu do sekwencyjnego przeprowadzania produktu przez kolejne etapy chromatografii. Aby zawiesić produkt w buforze formulacyjnym w pożądanym stężeniu wykorzystuje się ultrafiltrację i diafiltrację(UF/DF).
  Zwieńczeniem platformy downstream jest filtracja sterylizująca, która stanowi ostateczną barierę bezpieczeństwa przed wprowadzeniem produktu do etapu fill-finish. Nawet śladowe zanieczyszczenia mikrobiologiczne mogą mieć istotny wpływ na bezpieczeństwo pacjenta, dlatego etap ten musi być    w pełni zintegrowany z systemem kontroli jakości i walidowany zgodnie z wymaganiami regulacyjnymi.
  Platformowe podejście do downstream przynosi szereg wymiernych korzyści. Przede wszystkim umożliwia przewidywalne osiąganie wysokiej czystości i jakości produktu. Jest to kluczowe zarówno dla leków innowacyjnych, jak i biopodobnych, gdzie konieczne jest wykazanie porównywalności molekularnej do leku referencyjnego. Ponadto pozwala na redukcję kosztów rozwoju poprzez ograniczenie liczby eksperymentów optymalizacyjnych oraz uproszczenie dokumentacji i walidacji procesu. W kontekście produkcji małych partii szczególnie istotna jest możliwość szybkiego dostosowania procesu do nowych produktów przy zachowaniu wysokiej powtarzalności i zgodności regulacyjnej.

Przyszłość modeli produkcyjnych: decentralizacja i personalizacja

W nadchodzących latach można oczekiwać dalszego rozwoju modeli produkcyjnych opartych na decentralizacji i personalizacji. Produkcja leków biologicznych coraz częściej będzie odbywać się bliżej miejsca podania, co pozwoli na skrócenie czasu dostawy oraz zwiększenie dostępności terapii.
Rozwój modularnych zakładów produkcyjnych lub częstsze wykorzystanie wytwarzania kontraktowego umożliwiają szybkie uruchamianie nowych projektów w różnych lokalizacjach. W połączeniu z zaawansowaną automatyzacją oraz standaryzacją procesów otwiera to drogę do tworzenia sieci rozproszonych zakładów produkcyjnych.

Anna Moskal, Process Engineer i Team Leader w Mabion jednoznacznie opisuje w jaki sposób możliwości CDMO mogą zostać
wykorzystane w produkcji małych partii.

„Możliwości CDMO są szczególnie dobrze dopasowane do potrzeb produkcji małych partii, ponieważ wykorzystują rozwiązania zwiększające elastyczność, ograniczające koszty i skracające czas realizacji. Kluczową rolę odgrywają tu technologie jednorazowe, które ograniczają czas przezbrojeń i eliminują konieczność czasochłonnego mycia i sterylizacji (CIP/SIP). Ma to ogromne znaczenie przy częstych zmianach produktów w produkcji małoseryjnej. CDMO zapewniają również kompleksowe wsparcie w przygotowaniu dokumentacji. Dodatkowo dysponują zaawansowaną
infrastrukturą analityczną, obejmującą kosztowny sprzęt, którego zakup byłby nieopłacalny dla firm rozwijających jedynie pojedyncze
projekty lekowe. Mabion jest w pełni przygotowany do efektywnej i elastycznej realizacji projektów produkcji małoseryjnej, spełniając
wysokie wymagania jakościowe i regulacyjne klientów.”

Personalizacja terapii, w tym rozwój leków dopasowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta, będzie dodatkowo napędzać zapotrzebowanie
na elastyczne, małoskalowe systemy produkcyjne.