Il potere dell'analisi dei gas respiratori per ottimizzare i processi biofarmaceutici

Aug 14, 2023

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La fermentazione e la coltura cellulare di mammifero sono processi critici per la produzione di molti prodotti farmaceutici, tra cui anticorpi monoclonali terapeutici e vaccini, e sono alla base di molti dei recenti progressi nella terapia cellulare e genica. La coltura cellulare e il suo ambiente devono essere attentamente monitorati per soddisfare i severi controlli sulla produzione biofarmaceutica, nonché per garantire rese elevate ed evitare sottoprodotti indesiderati. L'analisi dei gas respiratori può essere utilizzata per caratterizzare il comportamento e la produttività delle cellule monitorando i gas immessi e prodotti da una coltura durante l'incubazione. La spettrometria di massa di processo online è una tecnica per l'analisi continua dei gas respiratori che può adattarsi ai quadri normativi per il monitoraggio dei processi, rendendola uno strumento utile per migliorare le informazioni sul processo e ottenere risultati migliori durante la coltura cellulare o la fermentazione.

La tecnologia analitica di processo (PAT) utilizza il monitoraggio continuo per acquisire una migliore comprensione del funzionamento dei processi attraverso misurazioni in tempo reale. I dati generati possono quindi essere utilizzati per migliorare il controllo del processo e i risultati. Nell’industria biofarmaceutica, questi risultati possono includere il miglioramento della qualità dei prodotti, la garanzia della conformità normativa, la riduzione dei tempi di lavorazione o l’accelerazione dello sviluppo di nuovi prodotti. Il PAT è un processo in più fasi, che inizia con la comprensione degli attributi critici di qualità (CQA) per il processo che deve essere mantenuto/migliorato, quindi identificando quali parametri critici di processo (CPP) influiscono su tali CQA e, infine, il monitoraggio e il controllo continui di CPP per migliorare i risultati del processo.

Figura 1: fasi di implementazione della PAT.

Esistono molti tipi di PAT utilizzati nello sviluppo e nella produzione farmaceutica, a seconda del tipo di flusso di lavoro monitorato. La fermentazione è un processo complicato che richiede un attento controllo dell'ambiente, nonché il monitoraggio dello stato della coltura, per aumentare le rese ed evitare sottoprodotti indesiderati. Durante la fermentazione biofarmaceutica, i gas di sparge forniscono ossigeno, aiutano il controllo del pH e della temperatura e promuovono una miscelazione efficiente all'interno del bioreattore. Questo processo prevede l’attenta regolazione di vari gas – tra cui ossigeno, anidride carbonica e azoto – per creare un ambiente ottimale per la crescita e il metabolismo delle cellule. La fermentazione genera anche gas di scarico, o gas in uscita, come anidride carbonica e altri sottoprodotti metabolici. Una corretta gestione del flusso di gas per rimuovere questi gas di scarico, riducendo al minimo qualsiasi potenziale perdita di preziosi composti volatili, è essenziale, poiché l’accumulo può inibire la crescita cellulare e la formazione del prodotto.

Il monitoraggio online sia dei gas di scarico che di quelli in uscita può essere utilizzato per calcolare il quoziente respiratorio (RQ), ovvero il tasso di consumo di ossigeno e di evoluzione dell'anidride carbonica. Conoscere l'RQ è essenziale per comprendere lo stato di salute della coltura, indicando sia l'efficienza metabolica che il tipo di nutrienti consumati. La valutazione precisa delle concentrazioni dei gas in ingresso e in uscita di un bioreattore, compresi i gas volatili, fornisce un approccio ideale per monitorare accuratamente la cinetica di crescita di una coltura e il consumo di substrato in modo non invasivo, senza compromettere la sterilità dell'ambiente. Questi dati forniscono informazioni preziose per aiutare a ottimizzare i processi, i tempi di alimentazione e l'inizio dell'induzione, nonché per determinare il momento ideale per arrestare la fermentazione per ottenere la massima massa cellulare vitale. L'analisi del gas in tempo reale offre inoltre l'opportunità di identificare la contaminazione prima dell'inoculazione, nonché di rilevare sottoprodotti indesiderati e l'insorgenza di avvelenamento. Questi fattori migliorano l’efficienza complessiva della produzione, riducono la lavorazione eccessiva e gli sprechi e contribuiscono a rendimenti e profitti biofarmaceutici più elevati.