De experts zijn het eens: continu productie is momenteel met name geschikt voor de productie van mAb's (monoklonale antilichamen). De ontwikkelingen in bioproductie daarvan, voor immuuntherapie, loopt voor op andere producten zoals gentherapiën, zegt Marc Bisschops, directeur Biopharm SLS continuous bioprocessing bij PALL. "MAb's gedragen zich in het proces allemaal ongeveer gelijk waardoor het makkelijk is om nieuwe productietechnieken daarvoor te ontwikkelen."
"Bovendien staan de productiekosten van mAb's onder druk, onder andere door de introductie van zogeheten 'biosimilars' (een nabootsing van een biologisch geneesmiddel waarvan het patent is verlopen)," zegt Michael Felo, directeur Downstream Process Integration bij Merck in Bedford (VS). "De traditioneel conservatieve fabrikanten zijn daarom eerder geneigd nieuwe technologiën uit te proberen."
"Het doel is niet continuproductie per se, maar het intensiveren en productiever maken van het zuiveringsproces," nuanceert Gerben Zijlstra, global technology consultant continuous biomanufacturing van Sartorius. Door de opkomst van immuuntherapie, maar ook door de opkomst van biosimilars, neemt het aantal en de productie van mAb (-varianten) enorm toe. Maar niet van elk product is voorspelbaar hoe groot de markt wordt. Er is daarom behoefte aan flexibele productie met single use bioreactoren. Deze bioreactoren gaan door toepassing van diverse perfusietechnieken steeds efficiënter produceren en worden steeds groter. "Het doel van alle inspanningen tot verbetering van bioprocessen is de flexibele productie van een betaalbaar product, dat snel naar de markt kan worden gebracht," legt Zijlstra uit.

Meer kolommen
Een belangrijk onderdeel van het bioproductieproces dat continu gemaakt kan worden is de zuivering, waarvoor met name kolomchromatografie wordt ingezet. Continue chromatografie heeft veel voordelen volgens Bisschops. "Het expressieniveau van mAb's is met een factor tien toegenomen. De beperkende factor in de productie is nu niet meer de bioreactor maar de zuivering, met name de eerste chromatografiestap. Voor een grote productiefaciliteit met bioreactoren van 5000 L is een kolom van twee meter doorsnee nodig. Daarin zit voor een paar miljoen euro aan adsorbents, een flinke portie van de kosten voor mAb productie. Bovendien neemt zo'n kolom heel veel ruimte in. Met continue chromatografie heeft de fabrikant nu niet meer één grote kolom nodig maar meerdere kleine. Een ruimte- en kostenbesparing van 85% is realistisch."
Ook Mike Felo van Merck ziet het kostenvoordeel. "Onze klanten willen flexibiliteit in zowel productie als locatie, ze willen betere kwaliteit van producten en kostenreductie. Continu productie is een belangrijk deel van de oplossing voor die wensen." Een ander voordeel van continue chromatografie is dat de cellen minder lang in de bioreactor hoeven te verblijven, vertelt Mochao Zhao, Product Manager Single Use Membrane Chromatography bij Merck in Burlington (Canada). "Er worden steeds meer zeer gevoelige biomoleculen geproduceerd die instabiel zijn in de bioreactor. Deze moleculen hebben er baat bij als het proces wordt versneld."
Continue chromatografie ligt echter niet direct voor de hand, legt Kees Slijkhuis, sales development manager hardware bioprocess bij GE Healthcare, uit. "Chromatografie is nooit een continu proces. Er zijn altijd diverse stappen: het voorbereiden, equilibratie, wassen, elueren en reinigen van de kolom." Met de komst van chromatografie met meerdere kolommen, het zogeheten multicolumn chromatografie, is dit probleem ingenieus opgelost. Na kolom één stroomt het reactiemengsel door naar een tweede kolom. Is de eerste vol, dan haal je die weg en plaats je een nieuwe, lege na kolom twee. Mocht de eerste kolom overvol zijn geraakt, dan vangt de tweede het kostbare product alsnog op.

Diverse oplossingen
Diverse fabrikanten ontwikkelden varianten op het multicolumn-systeem. GE Healthcare heeft het ÄKTA™ chromatografie-platform op basis van het meer-kolommensysteem periodic counter current chromatografie (pcc). Het bijzondere aan dit systeem is de 'dynamic control' methode op basis van UV-sensoren, vertelt Slijkhuis. "Het is zaak precies te weten wanneer je het beste kunt overschakelen van kolom een naar twee, voor de hoogste opbrengst in de kortste tijd. Met UV-licht meten we wat er op de kolom gaat en wat eraf komt. De software berekent daaruit wanneer er moet worden overgeschakeld. Dat is niet afhankelijk van de conditie van de kolom of de snelheid van de belading. Het voordeel is dat je een kolom veel langer kunt gebruiken en je niet het risico loopt om product te verliezen door een slechte kolom. Automatisering is hierbij essentieel. De beslissing om door te schakelen kun je niet met de hand doen."
PALL heeft het enige single use systeem voor continue chromatografie, de Cadence® BioSMB op basis van simulated moving bed technologie. Single use heeft een groot voordeel omdat reiniging niet meer nodig is, legt Bisschops uit. "Een continu chromatografiesysteem heeft veel leidingen en kleppen. Dat is een uitdaging voor de reiniging. Wij hebben daarnaast sterk ingezet op het zo eenvoudig mogelijk maken van de bediening van het Cadence platform. Operators in een cleanroom hebben het al moeilijk genoeg dus het installeren en bedienen moet supereenvoudig zijn."

Hars versus membraan
De kolommen waarmee de producten worden gescheiden van de celcultuur zijn traditioneel gevuld met bolletjes van een hars waaraan liganden zijn gebonden. Die liganden zijn zo gekozen dat het product er sterk aan bindt, maar er met een bufferoplossing naderhand weer afgespoeld kan worden. Voor mAb's gaat het daarbij meestal om Proteine A als ligand. Harsbolletjes hebben het voordeel dat er heel veel product op de kolom past, legt Zijlstra van Sartorius uit. "De bindingscapaciteit van harsen is heel hoog. Maar de tijd die het reactiemengsel op de kolom moet doorbrengen om volledig te binden is lang. Dat komt doordat de producten via diffusie de liganden moeten bereiken. Dat duurt minuten."
Er zijn veel ontwikkelingen om de eigenschappen van deze harsen te verbeteren, vertelt Slijkhuis van GE Healthcare. Zo heeft zijn bedrijf de hars MabSelect™ PrismA op de markt gebracht, die een zeer korte tijd nodig heeft om de antilichamen te binden, de zogenaamde dynamische bindingscapaciteit. "Bovendien is deze hars ook goed te reinigen met loog (tot 1 M NaOH), waardoor de groei van micro organismen en ophoping van vervuilingen in de chromatografie kolommen wordt voorkomen."
Membranen lossen deze uitdagingen op een andere manier op. Merck produceert membraanadsorbers voor chromatografie die worden ingezet voor het afscheiden en zuiveren van de producten. "Wij ontwikkelen innovatieve single use membraanchromatografie met deze Natrix® membranen," vertelt Zhao. Dit zijn driedimensionale hydrogelmembranen met een open structuur, waardoor een hoge flow rate (stroomsnelheid) kan worden bereikt. Tegelijk hebben ze een goede bindingscapaciteit vanwege de hoge dichtheid van funtionele groepen. "Deze gepatenteerde membraantechnologie is veelzijdig. We kunnen eenvoudig het polymeer aanpassen met verschillende functionele groepen of liganden zoals Proteine A. Daarmee leveren we single use chromatografie-oplossing die de productiviteit en flexibiliteit van het proces verhoogt," aldus Zhao.
Sartorius levert ook membranen waaraan het protein A gebonden is in plaats van hars, vertelt Zijlstra. "De binding gaat in seconden, dus veel sneller dan bij harsen. Van oorsprong is de bindingscapaciteit van membranen veel lager dan van harsen. Je hebt dus veel buffer nodig en bent vooral het product aan het verdunnen. Maar er zijn al membranen met hogere capaciteit. In combinatie met de snelle binding is dit zelfs in batchmodus toepasbaar, als een soort filter. Dan is continue chromatografie dus helemaal niet nodig."

Uitdagingen
Voor kleine productiefaciliteiten van mAb's worden deze technieken al veel ingezet, maar nog niet in commerciële productie. Dat is nog een kwestie van enkele jaren. Kees Slijkhuis van GE Healthcare legt uit: "Een belangrijk punt is de regulering van medicijnproductie. In de VS stimuleert de medicijnwaakhond FDA dit soort ontwikkelingen zeker. Maar bij een verandering in je proces moet je wel bewijzen dat je de kwaliteit van het product onder controle hebt." Ook Zhao van Merck merkt op dat de autoriteiten meer ondersteuning zouden kunnen geven. "Neem de definitie van een batch in een continu proces. Die is sterk verbonden aan kwaliteitsmanagement en traceerbaarheid bijvoorbeeld in het geval van een terugroepactie voor een geneesmiddel. We kunnen hier wel wat hulp gebruiken van de autoriteiten." Bisschops voegt toe: "Wij werken in de VS om deze reden nauw samen met andere grote bedrijven zoals Bayer, Amgen en MSD, zodat we met één stem communiceren naar de autoriteiten. Vooralsnog zie ik geen reden om hier ongerust over te zijn."
Ook de automatisering heeft aandacht nodig. Slijkhuis van GE Healthcare zegt: "Hoe meer je naar continu gaat, hoe meer je het proces moet sturen met sensoren. Bijvoorbeeld de hoeveelheid antilichaam meten, de hoeveelheid benodigd surfactant, het aansturen van onderhoud. Daar zullen wij ook in mee moeten groeien." Bisschops voegt toe: "Je krijgt door automatisering ook meer data. Dat heeft een voordeel bijvoorbeeld in de kwaliteitsbewaking, maar je moet er wel mee om leren gaan. De juiste manier van sampling is ook belangrijk. Er zijn meer fluctuaties in een dynamisch, continu proces, dus je moet goed nadenken over representatieve monstername. Tot slot is contaminatie belangrijk. Een continu systeem draait altijd, dus er kan vervuiling binnensluipen die er niet meer zomaar uit gaat. Met single use systemen kun je een deel van dat probleem oplossen."

Toekomst
Zhao zegt: "Ik hoop dat we over twee tot vijf jaar een volledig single use chromatografieplatform hebben voor mAb-zuivering en misschien voor andere moleculen." Haar collega Mike Felo voegt toe: "Zelfs als er nooit een volledig continu proces op commerciële schaal komt, hebben we toch veel geleerd van de inspanningen, zodat onderdelen van het proces geintensificeerd zijn." Sartorius ten slotte zet zijn geld in op membraantechnologie, zegt Zijlstra. "Daar zien we veel in. Of dat ook commercieel zal worden de komende jaren moeten we zien."

Dit artikel is gepubliceerd als gesponsorde partnercontent in C2W2, 2019.