Las innovaciones en el procesamiento del downstream aceleran el desarrollo, mejoran la eficiencia y promueven la sostenibilidad.

El procesamiento del downstream en la industria de la biofabricación ha estado bajo una presión incesante durante varias décadas. La fuente de esta presión es la escalabilidad mucho mayor de la producción upstream, que puede ampliarse aumentando la productividad de las células sin aumentar el tamaño del equipo o el volumen de los medios. Por el contrario, la escala del downstream depende de la masa del producto, y existe una relación estrictamente lineal entre esta masa y el tamaño del equipo, el volumen de los tampones, el área de los filtros y la cantidad de resinas cromatográficas necesarias. En resumen, no existe una economía de escala en el procesamiento del  procesamiento del  downstream. En consecuencia, cuesta más acomodar un proceso upstream de mayor escala porque la única solución es agregar más trenes de proceso procesamiento del  downstream para hacer frente a la demanda adicional. lo que se puede denominar “numeración” (1). Anteriormente, los autores exploraron la necesidad de innovación en el procesamiento del  downstream como medio para superar este cuello de botella y aumentar la eficiencia y la sostenibilidad del proceso (2,3). Dichas innovaciones incluyen la racionalización de los procesos existentes (4), la integración de tecnologías más simples y menos costosas que se utilizan en otras industrias (5), la sustitución de equipos fijos por módulos desechables (6, 7) y el desarrollo de tecnologías de alta tecnología. Soluciones tecnológicas que cambian las reglas del juego en términos de rediseño de procesos. Este artículo explora los avances recientes en el procesamiento del downstream, enfatizando enfoques de purificación innovadores y el creciente interés en el modelado mecanicista y los métodos de aprendizaje automático para el desarrollo de modelos predictivos precisos.

Nuevos ligandos de afinidad

Muchos procesos posteriores comienzan con un paso de cromatografía de captura porque suele ser la forma más eficiente de separar el producto objetivo de la mayoría de las impurezas. Proteína A, una proteína de la pared celular de Staphylococcus aureus, se usa ampliamente para la purificación de anticuerpos debido a su unión fuerte y selectiva a la región Fc de las inmunoglobulinas. Sin embargo, la cromatografía de proteína A tiene limitaciones, incluidos los altos costos en la fabricación clínica temprana, la lixiviación de ligandos y la baja afinidad por ciertas variantes de anticuerpos. La demanda de nuevos ligandos de afinidad ha aumentado junto con la prevalencia de diversas modalidades terapéuticas, como los conjugados anticuerpo-fármaco (ADC) y anticuerpos biespecíficos. Se han desarrollado miméticos de proteína A para abordar estos desafíos porque son más estables que la proteína A en condiciones de limpieza duras, lo que reduce el impacto de la lixiviación y al mismo tiempo ahorra costos (8).

Una alternativa

Como alternativa a los péptidos, los aptámeros son oligonucleótidos de ADN o ARN monocatenarios que se unen a moléculas diana con alta especificidad y afinidad. Los aptámeros se sintetizan y modifican fácilmente para mejorar la estabilidad, la especificidad y la capacidad de unión (9). Han sido desarrollados para la purificación de factores de coagulación, interferones y ADC, mostrando su versatilidad y potencial para diversas modalidades terapéuticas.

Los polímeros de impresión molecular (MIP) son polímeros sintéticos que contienen sitios de reconocimiento molecular que complementan las moléculas diana en términos de forma, tamaño y grupos funcionales. Los MIP se crean polimerizando monómeros funcionales alrededor de una molécula plantilla y luego eliminando la plantilla para dejar sitios de unión específicos (10). Los MIP ofrecen ventajas sobre los ligandos de afinidad natural, incluida la robustez, la estabilidad y los costos más bajos. Los investigadores han investigado el uso de MIP para purificar proteínas terapéuticas como la lisozima (11) y los interferones (12), aunque es necesario un mayor desarrollo y optimización.

Bioprocesamiento a ultra escala

El modelado reducido se ha utilizado tradicionalmente durante el desarrollo de procesos para probar nuevas variantes de procesos en un volumen menor que el proceso normal, reduciendo los requisitos de espacio y los costos (13). Una innovación más reciente es el bioprocesamiento a ultra escala (USD), una poderosa técnica para el rápido desarrollo y optimización de procesos en la fabricación biofarmacéutica que permite experimentos en volúmenes mucho más pequeños y con escalas de tiempo aceleradas, minimizando el uso de tiempo y recursos y permitiendo múltiples opciones. probarse en paralelo (14). Se utilizan sistemas miniaturizados de alto rendimiento, como biorreactores a microescala y sistemas de microfluidos, para facilitar la detección eficiente de numerosos parámetros del proceso (15,16).

Los biorreactores a microescala imitan fielmente el rendimiento de sistemas a mayor escala y al mismo tiempo requieren menos material de muestra, mientras que los sistemas de microfluidos pueden controlar con precisión el flujo de pequeños volúmenes de líquido (17). La experimentación de alto rendimiento se puede integrar con biorreactores a microescala y sistemas de microfluidos para agilizar aún más el desarrollo de procesos, reduciendo así el tiempo hasta la clínica para nuevos productos biofarmacéuticos (18).

Innovaciones en clarificación/purificación

Se han desarrollado nuevas tecnologías de filtración para aumentar la eficiencia y selectividad de la clarificación después de la recolección de cultivos celulares (19). Los ejemplos incluyen filtros profundos de alta capacidad de un solo uso que mejoran la clarificación al tiempo que reducen la contaminación y previenen grandes caídas de presión (20), y módulos de cromatografía de membrana avanzados, como membranas multimodales, que facilitan la eliminación de agregados y otras impurezas con mayor selectividad y capacidad (21). Las tecnologías de purificación basadas en fibras han surgido como otra alternativa a la cromatografía de lecho compacto tradicional, ofreciendo ventajas como tiempos de procesamiento más cortos y una mayor escalabilidad (22). Estas tecnologías utilizan membranas de fibras huecas o fibras monolíticas como fases estacionarias.

Cromatografía

La cromatografía de membrana de fibra hueca se ha utilizado para capturar y pulir anticuerpos monoclonales (mAb) y partículas similares a virus, mientras que las fibras monolíticas se han utilizado para purificar proteínas terapéuticas y ácidos nucleicos con alta resolución y rendimiento (23). La cromatografía en casete modular con soporte de lecho permite el diseño flexible y escalable de sistemas de purificación utilizando casetes intercambiables que contienen diferentes medios de cromatografía. Este enfoque mejora el rendimiento de la cromatografía de afinidad, intercambio iónico e interacción hidrófoba al mejorar la transferencia de masa, la distribución del flujo y la utilización de los medios. La modularidad de esta tecnología permite la detección y optimización rápida de las condiciones de cromatografía, así como la ampliación perfecta de los procesos de purificación.

La cromatografía continua utiliza menos resina que la cromatografía por lotes tradicional, pero es más productiva. Permite operaciones en estado estacionario con un mayor rendimiento, aumentando tanto la pureza como el rendimiento del producto (24). Ejemplos de cromatografía continua incluyen cromatografía en lecho móvil simulada (25) y cromatografía periódica en contracorriente (26). Estas tecnologías se han utilizado para purificar mAb y otras proteínas terapéuticas (27).

Modelado y simulación mecanicistas.

A medida que la industria biofarmacéutica avanza hacia la fabricación de moléculas más complejas y medicamentos personalizados, existe una necesidad creciente de un desarrollo rápido y confiable de procesos posteriores robustos. Esto puede resultar desafiante y costoso si hay muchos parámetros diferentes que deben probarse y variarse simultáneamente. Una solución prometedora es el desarrollo de gemelos digitales, que son modelos de procesos del mundo real. Los gemelos digitales se construyen utilizando modelos mecanicistas, que se basan en leyes fisicoquímicas naturales que describen matemáticamente un proceso. Actualmente se dispone de software avanzado para desarrollar dichos modelos, que incorporan efectos relevantes como la adsorción y la dinámica de fluidos. Un gemelo digital de un proceso de cromatografía basado en modelos mecanicistas permite a la industria realizar miles de experimentos in silico , incluso fuera del rango de calibración, evitando al mismo tiempo la necesidad de realizar un número similar de experimentos de laboratorio (28).

A medida que hay más datos disponibles, el aprendizaje automático se ha integrado con el modelado mecanicista para crear modelos predictivos más precisos (29,30). Por tanto, se han utilizado algoritmos de aprendizaje automático para optimizar los parámetros del proceso de cromatografía (28). Los gemelos digitales dinámicos de bioprocesos de extremo a extremo utilizan modelos mecanicistas de cada operación unitaria y los integran en un modelo holístico que abarca todo el bioproceso (31). Los gemelos digitales se pueden utilizar para estudiar el impacto de los cambios en los procesos, identificar cuellos de botella y optimizar el rendimiento general del proceso. Por ejemplo, se han utilizado gemelos digitales para simular el rendimiento de sistemas de bioprocesamiento continuos e integrados, proporcionando información valiosa sobre la dinámica del proceso, el tamaño del equipo y las cuestiones de programación (32,33).

Tecnología analítica de procesos

PAT es un conjunto de métodos que se utilizan para analizar y controlar los procesos de fabricación farmacéutica midiendo los parámetros críticos del proceso (CPP) que afectan los atributos críticos de calidad (CQA) de un producto (34). Se ha demostrado que la aplicación de PAT en la fabricación biofarmacéutica mejora la comprensión del proceso, reduce la variabilidad y aumenta la eficiencia general. Las herramientas PAT detectan las desviaciones a medida que ocurren y permiten controlarlas, garantizando así la calidad y consistencia del producto (35). Ejemplos de herramientas PAT incluyen la espectroscopia Raman, la espectroscopia de infrarrojo cercano y la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) en línea (36–38). También se pueden utilizar técnicas analíticas avanzadas, como la espectrometría de masas y la electroforesis capilar, para lograr una caracterización rápida y precisa de biomoléculas complejas (39). Estos métodos también pueden detectar impurezas y contaminantes, mejorando la calidad y seguridad del producto. La integración de estas técnicas analíticas avanzadas con la automatización y la digitalización puede permitir el monitoreo y control en tiempo real, mejorando aún más la eficiencia general del proceso (40).

Sostenibilidad

La industria biofarmacéutica se centra cada vez más en reducir su impacto ambiental (41). Esto incluye el desarrollo de enfoques de fabricación más sostenibles mediante la reducción del uso de agua y energía y la implementación de principios de química verde durante la purificación (42). El consumo de agua y energía son preocupaciones importantes debido al uso extensivo de agua para limpieza y refrigeración y a la naturaleza intensiva en energía de muchos métodos de purificación. Para minimizar el uso de agua y energía, las empresas están invirtiendo en equipos y procesos más eficientes, incluidas estrategias de reutilización de agua y la optimización de la cromatografía para reducir el consumo de tampón. También se están implementando principios de química verde para desarrollar procesos de purificación más respetuosos con el medio ambiente, como el uso de disolventes y auxiliares más seguros, minimizando la generación de residuos, y el diseño de procesos energéticamente eficientes (43). Por ejemplo, los sistemas acuosos de dos fases se pueden utilizar como alternativas a los métodos tradicionales de extracción basados ​​en disolventes (44).

Conclusión sobre el procesamiento del downstream

La rápida evolución del procesamiento del downstream en la industria biofarmacéutica está marcada por la innovación y el desarrollo tecnológico continuos (45). Los autores han descrito sobre el downstream nuevos ligandos de afinidad, tecnologías de purificación, modelado mecanicista, modos de procesamiento, automatización, digitalización y sostenibilidad como áreas de innovación clave para abordar los desafíos de purificar modalidades terapéuticas cada vez más complejas. A medida que la industria continúe expandiéndose y adaptándose, estos avances se integrarán para mejorar la eficiencia, la productividad y la calidad de los procesos de fabricación biofarmacéutica, lo que conducirá a bioterapéuticos más seguros y eficaces para los pacientes, incluidos los medicamentos personalizados. Históricamente, los reguladores veían la innovación como una amenaza a procesos conservadores y bien establecidos, pero gradualmente llegaron a verla desde una perspectiva positiva. especialmente tras el lanzamiento de la iniciativa Calidad mediante el diseño (46). Al adoptar las últimas tendencias y tecnologías, la industria biofarmacéutica puede resistir la presión sobre la escalabilidad del procesamiento del downstream y puede continuar revolucionando la fabricación de terapias que salvan vidas, como lo ha hecho durante varias décadas (47).

Fuente: www.biopharminternational.com