Accélérer la production des installations biopharmaceutiques dynamiques de petites dimensions

Dans l’industrie biopharmaceutique, un déploiement rapide des produits est essentiel, car la demande d’anticorps monoclonaux (mAbs), de vaccins et de cellules de mammifères thérapeutiques produits par des bactéries augmente constamment. La production annuelle de protéines biopharmaceutiques se monte à plus de 17 millions de litres dans le monde. Des solutions innovantes comme les séparateurs à perfusion à usage unique GEA kytero, conçus pour une séparation cellulaire extrêmement intense, la séparation cellulaire en continu, répondent aux besoins des producteurs qui cherchent à capitaliser sur ce marché dynamique et assurer leur réussite avec des procédés amont robustes et facilement évolutifs. Les nouveaux séparateurs à perfusion offrent une approche transformatrice permettant de multiplier les résultats, d’atteindre une productivité sans précédent et de servir plus rapidement les institutions médicales et les patients. 

Continu signifie rentable

Un process en continu optimise les temps de production et réduit les efforts nécessaires pour commencer des cycles de process biopharmaceutique. Les opérateurs ne doivent plus attendre la fin d’un batch pour séparer les cellules et collecter les protéines cibles (l’ingrédient pharmaceutique actif) du milieu contenant le produit. Au lieu d’être mises au rebut, les cellules sont ramenées dans le bioréacteur, ce qui permet à la production de se poursuivre pendant des semaines – et non plus seulement plusieurs heures ou jours – et de récolter du produit dès le premier jour. 

Cette innovation permet aux nouveaux produits d’atteindre le marché plus rapidement et au produit établi d’être distribué sans perdre de temps précieux. Mieux encore, les cellules cultivées sont réutilisées tout au long du cycle de process de plusieurs semaines et n’ont pas à être cultivées pour être fraîches pour les lots suivants. 

Continu signifie rentable et, de par le passé, seules les installations de plus grandes dimensions étaient en mesure de l’être avec ce mode de conduite. Ceci devrait changer avec les nouveaux séparateurs à perfusion à usage unique, qui rendent cette technologie accessible aux sociétés pharmaceutiques de plus petites dimensions qui se caractérisent par une surface au sol limitée, peu de ressources humaines, des demandes de flux de travail complexes et une concurrence acharnée. Ces sociétés tendent à dépendre d’un équipement à usage unique moderne pour leurs tâches de process clés. Pour elles, mettre en place des cycles de nettoyage qui occupent de la place et consomment des utilités industrielles, des ressources humaines et du temps supplémentaire, n’est tout simplement pas envisageable. En 2021, les séparateurs à usage unique ont permis pour la première fois de rendre accessible aux installations de R&D ou de production de petites dimensions cette technologie de séparation à pile d’assiettes facile à mettre en œuvre, qui offre un haut rendement, une flexibilité supérieure et un fonctionnement sans complication. Avec les nouveaux séparateurs à usage unique de la série – la première du genre – les petites installations peuvent désormais elles aussi expérimenter cette technologie avec un process de production continu.

Processus biopharmaceutiques existants 

Cultiver des cellules dans le bioréacteur pour récolter successivement les protéines (le produit) est un processus amont-clé dans le domaine de la production biopharmaceutique. Suivant la croissance exponentielle des cellules dans le réacteur, les cellules doivent être prélevées dans la cuve et séparées du milieu de culture – un processus que le processus à perfusion peut optimiser. Cependant, passer à une configuration de perfusion semblait par le passé excessivement coûteux et risqué. C’est la principale raison pour laquelle de nombreux fabricants de produits pharmaceutiques, même à la tête d’installations de grandes dimensions, ont résisté jusque-là. Les unités de perfusion à usage unique offrent la possibilité de se lancer dans les procédés de perfusion, éliminant nombreux des obstacles à l’entrée typiques pour ce processus. Une étude des options de process types a permis de résumer le procédé :

Préparation de l’inoculum (les cellules de départ)

Quelle que soit la configuration de procédé utilisée pour la culture et la séparation cellulaires, la préparation est la même : Les cellules d’un flacon de stockage de cellules cryopréservées sont pré-cultivées dans des flacons d’agitation placés dans un agitateur-incubateur. Le repiquage (qui consiste à éliminer le milieu et à transférer les cellules dans un milieu de culture neuf) peut être effectué à intervalles standardisés (par ex. un jour sur deux) pour booster la propagation de la souche cellulaire avant l’inoculation. 

Option 1 : Procédé batch ou fermentation discontinue

À des fins de R&D, un simple process en batch peut être la méthode la plus efficace pour cultiver et séparer les cellules. La culture cellulaire peut être active pendant moins de sept jours, voire juste quelques heures, avant d’être introduite dans un petit séparateur ou une autre unité de rétention cellulaire afin de séparer les cellules et d’isoler le produit désiré. Le principal avantage de cette procédure est qu’elle est facile à configurer et à protéger de la contamination. 

Option 2 : Procédé fed-batch ou fermentation discontinue alimentée

Les procédés en mode fed-batch peuvent uniquement durer jusqu’à l’épuisement des nutriments du substrat et tant que l’accumulation de métabolites toxiques ne dépasse un seuil prescrit, affectant la viabilité des cellules. Avec un procédé fed-batch, cette durée peut être augmentée à jusqu’à plus de 15 jours. Cela se fait en remplaçant de manière répétée le milieu présent dans le bioréacteur par du substrat neuf provenant d’une cuve distincte comme prescrit par des programmations complexes. Cette procédure élimine les particules toxiques et ajoute suffisamment de nutriments supplémentaires pour que le batch reste actif, mais il faut équilibrer avec soin le débit d’alimentation pour ne pas diluer la culture. Une fois que la culture s’arrête, le produit est collecté de la même manière que le processus en batch standard. Le procédé fed-batch, s’il est exigeant, permet une production à l’échelle industrielle. Il donne des résultats de haute qualité avec une densité cellulaire et un titre de produit suffisants.

Option 3 : Procédé de fermentation continue ou perfusion

Utiliser une configuration de perfusion avec une solution telle que le nouveau séparateur à perfusion GEA kytero permet de prolonger les opérations de culture cellulaire pendant des semaines. Le milieu contenu dans le bioréacteur, qui contient les cellules, les produits cellulaires et les nutriments, est continuellement introduit dans le séparateur à perfusion, ce qui donne instantanément le produit précieux recherché. Le milieu épuisé est collecté avec le produit récolté à un débit qui est le même que celui auquel le milieu neuf est ajouté au réacteur, maintenant un volume constant de milieu de culture dans le bioréacteur. Le débit d’échange s’appelle le volume de cuve par jour. Les cellules séparées sont retournées de l’unité de séparation, qui est équipée d’un port spécial, au bioréacteur, sans perte de viabilité. 

Faciliter la perfusion  La séparation à pile d’assiettes hautement efficace 

Plusieurs méthodes de rétention des cellules sont disponibles pour effectuer la séparation requise des cellules, notamment l’Alternating Tangential Flow (ATF) ou la Tangential Flow Filtration (TFF), qui sépare les particules en fonction de leur taille, tandis que la séparation par pile d’assiettes emploie la force centrifuge pour séparer les particules en fonction de leur masse. 

Cette dernière technologie, qui a été perfectionnée par les ingénieurs en séparation de GEA au cours des décennies et est utilisée dans des installations pharmaceutiques industrielles du monde entier, offre plusieurs avantages en termes de rendement, de flexibilité et d’espace. La séparation à pile d’assiettes assure une concentration de cellules et un rendement en produits exceptionnellement élevés, qui s'accompagnent d’une capture des solides atteignant 99 %. Elle peut être affinée pour déceler les petites différences de masse, ce qui permet de l’utiliser pour de petites tâches de séparation automatiques, qui peuvent être modifiées quotidiennement. Les concepts mécaniques sans frottement et à faible cisaillement assurent une hausse de température minimale pour une viabilité maximale des cellules.

L’usage unique : la commodité qui change la donne

Dans la série GEA kytero, la technologie à pile d’assiettes éprouvée de l’entreprise a été remaniée. Cette transformation a résulté en des machines particulièrement compactes avec un élément à usage unique facile à gérer qui regroupe l’ensemble de la technologie à pile d’assiettes. Cet élément et toutes les conduites d’alimentation et de refoulement, c’est-à-dire toutes les parties en contact avec le produit – sont simplement échangées après un cycle de production pour une commodité et une protection maximales contre toute contamination. Des cartouches de rechange traitées aux rayons Gamma sont disponibles en option. 

Les séparateurs à perfusion introduits récemment dans cette série offrent les mêmes avantages que les modèles de séparation : Aucun nettoyage hygiénique ni autoclavage n’est requis, et les machines peuvent être prêtes pour le cycle de procédé en continu suivant en quelques minutes. Les seules utilités industrielles nécessaires pour les séparateurs sont de l’électricité et de l’air. Ces séparateurs sont faciles à installer dans tous les sites, nettement plus d’ailleurs que les systèmes de filtration classiques. Comme avec tous les séparateurs à pile d’assiettes, les filtres se changent facilement sans qu’il soit nécessaire de bloquer de l’espace au sol ou des ressources humaines.
 
En plus de l’innovation que représente le fait que ce sont des unités compactes, fermées et 100 % protégées contre la contamination, les machines GEA kytero sont dotées d’un système d’entraînement sans contact, qui constitue une base idéale pour la protection du bioconfinement. 

Démarrer et monter en échelle avec la perfusion

Les séparateurs à perfusion GEA kytero sont disponibles en deux variantes pour des bioréacteurs de 500 et 2000 litres et, par conséquent, permettent un traitement de process avec des quantités économiquement réduites de souches cellulaires coûteuses. Un nouveau séparateur pour les plus petites applications de laboratoire de R&D, adapté à la fois aux procédés d’essais en batch et à ceux de perfusion, devrait faire son apparition sur le marché début 2025. 

Les utilisateurs qui ont utilisé les machines GEA kytero ont vu qu’elles permettaient de surmonter les limites actuelles. Les résultats des tests et de production atteints avec ces composants peuvent être exploités pour passer à l’échelle supérieure afin de créer des variantes de plus grande taille de modèles à usage unique et, même, à la production industrielle avec les séparateurs classiques en acier inoxydable des séries GEA pharma aseptic et GEA pharma que l’on ne présente plus. Tout cela en conservant toujours le principe technique de la séparation à pile d’assiettes, qui assure un transfert de procédé sûr et facilite la validation.

Les fabricants biopharmaceutiques, qui cherchent à mettre en place des processus de perfusion et à renforcer leur position sur un marché pharmaceutique particulièrement dynamique sont invités à explorer les avantages de la technologie de perfusion à usage unique sur leur site d’exploitation.