Producenci biofarmaceutyków stają przed licznymi wyzwaniami w całym cyklu życia produktu, zaczynając od konieczności zminimalizowania harmonogramów rozwoju nowych leków. Wyścig o wprowadzenie na rynek nowych terapii – często w obliczu zaciętej konkurencji i zawsze przy rygorystycznych wymogach regulacyjnych – wymaga szybkich cykli rozwoju, wydajnej optymalizacji procesów i wiarygodnych danych do zatwierdzenia regulacyjnego. Udane przeniesienie leku z jego skromnych początków w laboratorium do masowej, komercyjnej produkcji nie jest łatwym przedsięwzięciem. Proces skalowania musi przejść kluczowe kontrole jakości i utrzymać równowagę na każdym etapie rozwoju, ponieważ procedury są przekazywane z jednego zespołu do drugiego, często przekraczając granice zakładów. Każdy etap przedstawia inne wyzwania związane z jakością i wydajnością produktu, w tym zmiany materiałów, zróżnicowaną wielkość sprzętu i różne parametry operacyjne. W miarę jak producent biofarmaceutyków przechodzi przez cykl życia produktu tradycyjne metody pobierania próbek i analizowania parametrów produkcji w trybie off-line w laboratorium mogą tworzyć wąskie gardła na hali produkcyjnej, opóźniając kluczowe decyzje i wydłużając harmonogramy rozwoju. Te pomiary off-line nie zapewniają ani niezawodności, ani szybkości, aby zagwarantować wymaganą wydajność na dużą skalę, co może prowadzić do kosztownych korekt metodą prób i błędów oraz potencjalnych strat procesowych. Ponadto rzadkie pobieranie próbek do analizy off-line często nie uwzględnia dynamicznej natury bioprocesów, ograniczając możliwości optymalizacji i zwiększając ryzyko zanieczyszczenia procesu.

Natomiast pomiary in-line rozwiązują te i inne problemy, zapewniając ciągły monitoring w całym procesie skalowania, aby uzyskać wgląd w stan procesu w czasie niemal rzeczywistym. Dane te pozwalają producentom na szybkie podejmowanie świadomych decyzji i optymalizację procesów w celu zwiększenia wydajności i jakości, umożliwiając im wczesne identyfikowanie i rozwiązywanie potencjalnych problemów, co zapewnia płynniejsze przejście od rozwoju do komercjalizacji. Ciągłe doskonalenie procesów jest niezbędne do maksymalizacji wydajności, opłacalności i jakości produktu. Nawet niewielkie ulepszenia wydajności lub redukcja strat mogą mieć znaczący wpływ na rentowność produkcji.

W procesach upstreamowych, w których żywe komórki są hodowane w celu wytworzenia pożądanego produktu biofarmaceutycznego, monitorowanie parametrów, takich jak pH, rozpuszczony tlen (DO), wzrost komórek, poziom glukozy i metabolitów oraz gęstość żywych komórek w czasie rzeczywistym, ma kluczowe znaczenie. Parametry te bezpośrednio wpływają na wzrost komórek, produktywność i jakość produktu w całym cyklu jego życia. Sondy in-line mogą zapewniać ciągłe sprzężenie zwrotne na każdym etapie rozwoju, umożliwiając precyzyjną kontrolę nad tymi parametrami, co powoduje wyższe zagęszczenie komórek, poprawę wydajności produktu i zmniejszenie liczby błędnych partii.

Równie ważne są procesy downstreamowe, które obejmują oczyszczanie i formułowanie pożądanego produktu ze złożonych strumieni hodowli komórkowej, gdzie również można w znaczący sposób skorzystać z pomiarów in-line. Rozwój procesu w fazie downstream wymaga technologii analizy procesowej (PAT), która obsługuje mniejsze objętości i krótsze czasy cykli, jednak poprawa wydajności dla aplikacji downstream jest utrudniona poprzez wyzwania technologiczne, takie jak poleganie na metodach analizy laboratoryjnej i wynikające z tego długie czasy reakcji, niewystarczające zakresy pomiarowe, zakłócenia tła i inne. Złożoność etapów oczyszczania, napędzana przez zintensyfikowane procesy upstream, wymaga innowacyjnych rozwiązań downstream. Tradycyjnie stosuje się wiele technik analitycznych off-line, co skutkuje długim oczekiwaniem na wyniki i potencjalną utratą produktu. Natomiast pomiar in-line, takich właściwości jak pH, przewodnictwo, absorbancja UV, agregacja i stężenie, ułatwia wydajną i terminową separację i oczyszczanie, zapewniając optymalną jakość i wydajność produktu. Pod tym względem system spektroskopii Ramana firmy Endress+Hauser z celką przepływową jest dostosowany do specyfiki procesów downstream, wykorzystując wzmocnienie sygnału i technologię niskiego poziomu szumów w celu dostarczania szybszych wyników. Dane w czasie rzeczywistym umożliwiają precyzyjną kontrolę etapów oczyszczania obejmujących chromatografię, ultafiltrację/diafiltrację (UF/DF) i wymianę buforów, co minimalizuje straty produktu i maksymalizuje wydajność procesu.

Spośród nowoczesnych technologii pomiarowych, dostępnych i stosowanych w bioprocesie, spektroskopia Ramana zapewnia jedne z najwyraźniejszych korzyści. W przeciwieństwie do wielu tradycyjnych technik analitycznych, które wymagają przygotowania próbki, pomiar ramanowski jest realizowany w sposób nieinwazyjny i niedestrukcyjny, zapewniając analizę składu chemicznego i pomiar stężenia bezpośrednio w bioreaktorze. Eliminuje to potrzebę czasochłonnej i drogiej analizy off-line, zapewniając szybkie dane monitorujące proces w czasie niemal rzeczywistym. Spektroskopia ramanowska jest szczególnie dobrze przystosowana do monitorowania krytycznych parametrów procesu (CPP), takich jak zużycie glukozy potrzebne do odżywiania komórek, stężenie metabolitów (mleczanu, glutaminianu, amoniaku) i analiza pożywek do hodowli komórkowych. Śledząc te i inne parametry, producenci mogą optymalizować strategie odżywiania hodowli komórkowych, zapobiegać gromadzeniu się hamujących produktów ubocznych i utrzymywać optymalne poziomy składników odżywczych – wszystko to przyczynia się do poprawy wzrostu komórek i wydajności produktu. Oprócz monitorowania procesu spektroskopia ramanowska odgrywa kluczową rolę w zapewnianiu jakości produktu poprzez identyfikację i kwantyfikację krytycznych atrybutów jakościowych (CQA) związanych z produktem. Nawet niewielkie zmiany strukturalne mogą pogorszyć bezpieczeństwo i skuteczność produktu, co sprawia, że szybka identyfikacja i naprawa mają kluczowe znaczenie.

Możliwość pomiaru analizatorem ramanowskim składu chemicznego i struktury w procesie produkcyjnym sprawia, że jest to idealne narzędzie do identyfikacji i kwantyfikacji CQA, zapewniając, że produkty końcowe spełniają najwyższe standardy jakościowe. Ponadto spektroskopia ramanowska ułatwia głębokie zrozumienie procesu, dostarczając wglądu w kinetykę reakcji i dynamiki procesu. Analizując dane widmowe, naukowcy uzyskują cenne informacje o szybkości reakcji, formach pośrednich i ogólnym postępie bioprocesu. Ta głębia zrozumienia umożliwia wyrafinowane strategie kontroli procesu, co skutkuje poprawą wydajności i jakości produktu.

Możliwość stosowania transferowalnych rozwiązań firmy Endress+Hauser zapewnia producentom branży biotechnologicznej znaczne korzyści dzięki stosowaniu tych samych technologii pomiarowych zarówno w próbkach laboratoryjnych w działach badawczo-rozwojowych, jak i rozwiązaniach produkcyjnych dużej skali. Producenci osiągają sukcesy, łącząc spektroskopię ramanowską w czasie rzeczywistym i technologię cyfrowych sond Memosens do monitorowania procesów w swoich zakładach. Dzięki temu minimalizuje się złożoność konfiguracji, zmniejsza ryzyko niespójności pomiarowej i poprawia ogólną wydajność procesów technologicznych.

Autor: Dr Janusz Dzielendziak, kierownik ds. analityki procesowej Endress+Hauser