El poder del análisis de gases respiratorios para optimizar los procesos biofarmacéuticos

Aug 14, 2023

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La fermentación y el cultivo de células de mamíferos son procesos críticos para la producción de muchos productos farmacéuticos, incluidos vacunas y anticuerpos monoclonales terapéuticos, y sustentan muchos de los avances recientes en terapia celular y genética. El cultivo celular y su entorno deben monitorearse cuidadosamente para cumplir con los estrictos controles de fabricación biofarmacéutica, así como para garantizar altos rendimientos y evitar subproductos no deseados. El análisis de gases respiratorios se puede utilizar para caracterizar el comportamiento y la productividad de las células mediante el seguimiento de los gases que se introducen en un cultivo y se producen en él durante la incubación. La espectrometría de masas de procesos en línea es una técnica para el análisis continuo de gases respiratorios que puede encajar dentro de los marcos regulatorios para el monitoreo de procesos, lo que la convierte en una herramienta útil para mejorar los conocimientos del proceso e impulsar mejores resultados durante el cultivo celular o la fermentación.

La tecnología analítica de procesos (PAT) utiliza el monitoreo continuo para obtener una mejor comprensión de cómo funcionan los procesos a través de mediciones en tiempo real. Los datos generados se pueden utilizar para mejorar el control del proceso y los resultados. Dentro de la industria biofarmacéutica, estos resultados pueden incluir mejorar la calidad del producto, garantizar el cumplimiento normativo, reducir el tiempo de procesamiento o acelerar el desarrollo de nuevos productos. PAT es un proceso de varios pasos, que comienza con la comprensión de los atributos críticos de calidad (CQA) para el proceso que necesita ser mantenido/mejorado, luego identifica qué parámetros críticos del proceso (CPP) impactan esos CQA y, eventualmente, el monitoreo y control continuo de CPP para mejorar los resultados de los procesos.

Figura 1: Pasos de implementación de PAT.

Hay muchos tipos de PAT que se utilizan en el desarrollo y la fabricación de productos farmacéuticos, según el tipo de flujo de trabajo que se supervisa. La fermentación es un proceso complicado que requiere un control cuidadoso del medio ambiente, así como un seguimiento del estado del cultivo, para aumentar los rendimientos y evitar subproductos no deseados. Durante la fermentación biofarmacéutica, los gases de burbujeo proporcionan oxígeno, ayudan al control del pH y la temperatura y promueven una mezcla eficiente dentro del biorreactor. Este proceso implica la regulación cuidadosa de varios gases, incluidos el oxígeno, el dióxido de carbono y el nitrógeno, para crear un ambiente óptimo para el crecimiento y el metabolismo de las células. La fermentación también genera gases residuales o gases de salida, como dióxido de carbono y otros subproductos metabólicos. Es esencial una gestión adecuada del flujo de gas para eliminar estos gases residuales, minimizando al mismo tiempo cualquier pérdida potencial de compuestos volátiles valiosos, ya que la acumulación puede inhibir el crecimiento celular y la formación de productos.

Se puede utilizar el monitoreo en línea de los gases de burbujeo y de salida para calcular el cociente respiratorio (RQ), es decir, la tasa de consumo de oxígeno y evolución de dióxido de carbono. Conocer el RQ es fundamental para comprender la salud del cultivo, indicando tanto la eficiencia metabólica como el tipo de nutrientes que se consumen. La evaluación precisa de las concentraciones de los gases de entrada y salida de un biorreactor (incluidos los gases volátiles) proporciona un enfoque ideal para rastrear con precisión la cinética de crecimiento de un cultivo y el consumo de sustrato de una manera no invasiva, sin comprometer la esterilidad del medio ambiente. Estos datos proporcionan información valiosa para ayudar a optimizar los procesos, los tiempos de alimentación y el inicio de la inducción, así como para determinar el momento ideal para detener la fermentación y obtener la máxima masa celular viable. El análisis de gases en tiempo real también brinda oportunidades para identificar la contaminación antes de la inoculación, así como para detectar subproductos no deseados y la aparición de intoxicación. Estos factores mejoran la eficiencia general de la fabricación, reducen el procesamiento excesivo y el desperdicio, y contribuyen a mayores rendimientos y ganancias biofarmacéuticas.

La espectrometría de masas (MS) es una forma relativamente sencilla y no invasiva de analizar los gases implicados en los procesos de fermentación. Esta técnica no requiere recolección de muestras ni el uso de sensores que se colocan dentro del área de fermentación estéril, lo que ayuda a prevenir la contaminación. Las plataformas MS también ofrecen más flexibilidad que los analizadores de gases alternativos, porque sus métodos analíticos se definen principalmente en el software, lo que permite el análisis de una amplia gama de flujos de muestras con diferentes composiciones. Además, la MS suele ser más rápida, más precisa y más versátil que otras técnicas, y los instrumentos se autocalibran con requisitos de mantenimiento muy bajos, lo que reduce el tiempo de inactividad y permite el uso continuo.

La mayoría de los flujos de trabajo de espectrometría de masas constan de los mismos tres pasos clave (ionización, separación de masas y detección), pero la EM del sector magnético se ha convertido en el método preferido para el seguimiento de la fermentación. Este enfoque utiliza un campo magnético variable para separar partículas cargadas y ahora ha sido empleado con éxito por muchas de las principales empresas biotecnológicas y farmacéuticas del mundo. La MS del sector magnético utiliza la ionización de electrones de filamento caliente para producir iones cargados positivamente a partir del gas de muestra. A esto le sigue la separación de masas, donde los iones cargados positivamente se aceleran con alta energía en un sector magnético de barrido y se desvían según su masa y carga. Estos iones desviados luego ingresan al detector, donde se mide la señal generada por los iones, siendo el número de iones de cada molécula de gas directamente proporcional a la señal generada en el detector.

Esta técnica ofrece numerosas ventajas sobre la MS cuadrupolo, incluida una mayor linealidad, exactitud y precisión. También utiliza un alto voltaje de aceleración de iones para producir iones de alta energía, lo que reduce su susceptibilidad a la dispersión por contaminación de moléculas residuales en el sistema de vacío. Esto permite que el analizador logre una excelente estabilidad y funcione continuamente durante largos períodos. Otro beneficio de la MS de sector magnético es que los instrumentos se ven menos influenciados por los efectos de carga superficial (debido a superficies imperfectas de los electrodos) que pueden provocar desalineación o deriva en el eje de masa. Con el sector magnético MS, la intensidad de la señal en cualquier posición de masa específica aparece como un pico plano, lo que elimina la necesidad de medir exactamente la mitad del pico y hace que el sistema sea intrínsecamente tolerante a fallas. Esto permite que los sistemas MS de sector magnético tengan largos intervalos entre calibraciones, lo que los hace extremadamente beneficiosos para procesos de fermentación prolongados, que pueden durar días o incluso semanas.

PAT es fundamental en la industria biofarmacéutica para cumplir con los requisitos reglamentarios y garantizar un control eficaz del proceso. El análisis de gases en tiempo real es particularmente útil para monitorear la fermentación y el cultivo celular, mejorado por el desarrollo de dispositivos MS innovadores e intuitivos. Estos sistemas ofrecen una forma sencilla y no invasiva de analizar los gases involucrados en el flujo de trabajo y no requieren la recolección de muestras ni el uso de sensores colocados dentro del área de fermentación estéril, lo que elimina una fuente potencial de contaminación. Fundamentalmente, el MS del sector magnético proporciona datos esenciales, como el RQ, para permitir a los operadores tomar decisiones informadas sobre los tiempos de alimentación y cuándo detener la fermentación. Esto ayuda a aumentar significativamente los rendimientos y las ganancias, al mismo tiempo que se producen productos bioterapéuticos más consistentes.