Escala UF/DF-Modelagem descendente com cassetes de canais de tela alternativos

O que deve ser feito se o espaço de projeto estabelecido durante a caracterização do processo for mais amplo ou mais estreito do que as faixas de parâmetros operacionais usadas para a fabricação de lotes de ensaios clínicos de Fase III?

Ⅰ. Análise de Problemas

Consideração:A questão diz respeito à representatividade de um modelo-de redução de escala para um processo de ultrafiltração/diafiltração (UF/DF). Como um cassete de ultrafiltração de canal de tela C-com o tamanho de poro/MWCO necessário não está disponível, um cassete de ultrafiltração de canal de tela A-está planejado para ser usado como substituto. A questão principal é se o cassete de tela-A pode servir como um modelo representativo de redução-de escala.

Para responder a esta pergunta, primeiro precisamos entender se existem diferenças entre cassetes de ultrafiltração com diferentes designs de canais de tela e qual impacto essas diferenças podem ter no processo UF/DF.

1. Seleção de diferentes tipos de canais de tela em cassetes de ultrafiltração

 

Com relação ao conhecimento dos diferentes tipos de canais de tela em cassetes de ultrafiltração, uma descrição detalhada é fornecida em (Documento 1: Desenvolvimento de Processo de Ultrafiltração/Diafiltração de Aplicações de Alta Concentração/Viscosidade):

Atualmente oferecemos quatro telas diferentes: (A, C, D e V) na linha de formatos de cassete Pellicon®.

 

Uma tela: Uma tela estanque usada para soluções de proteínas diluídas ou soluções de baixa viscosidade. A trama apertada não é adequada para soluções proteicas altamente concentradas, pois a queda de pressão é inaceitavelmente alta em viscosidades maiores. No entanto, esta tela normalmente oferece desempenho de fluxo superior.

 

Tela C:Uma peneira grossa usada para fluxos de produtos com viscosidade de até 15 cP. A tela C oferece bom desempenho de fluxo, mas a queda de pressão fica acima do limite de uso quando a viscosidade aumenta.

 

Tela V: Uma tela C suspensa. A tela V proporciona quedas de pressão mais baixas do que a tela C, mas o desempenho do fluxo é muito menor em comparação com a tela C.

 

Tela D: Esta nova tela tem uma malha mais grossa e uma trama alterada em comparação com a tela C padrão. Ele foi projetado para oferecer menor queda de pressão sem a grande penalidade de desempenho de fluxo encontrada ao usar uma tecnologia de tela suspensa.

 

Com base na descrição acima dos diferentes tipos de tela e nas informações publicamente disponíveis, as características dos diferentes canais de tela podem ser resumidas da seguinte forma:

 

2. Impacto de diferentes tipos de canais de tela em processos UF/DF

Com base nas descrições acima, pode-se inferir razoavelmente que diferentes tipos de canais de tela afetam diretamente o desempenho do processo UF/DF:

 

Dinâmica de fluidos e força de cisalhamento:
 

Porque a estrutura da tela (malha) determina o padrão de fluxo do fluido através da superfície da membrana, bem como o grau de turbulência e as forças de cisalhamento resultantes geradas.

 

Eficiência de transferência de massa:
 

O tipo de tela afeta a polarização da concentração e o controle da incrustação da membrana.

 

Desempenho do processo:
 

Como fluxo final, taxa de retenção e qualidade do produto (por exemplo, agregação-induzida por cisalhamento).

 

(Referência 2: "Efeito do cisalhamento-induzido pelo canal em produtos biológicos durante a diafiltração por ultrafiltração (UF/DF), 2016")demonstra o impacto das forças de cisalhamento induzidas por diferentes designs de canais de tela na qualidade de produtos biofarmacêuticos, como anticorpos monoclonais e proteínas de fusão.

Neste estudo, sob condições de produção padronizadas de fluxo de alimentação fixo (300 LMH) e pressão transmembrana (1,4 bar), módulos de membrana de três fabricantes-MilliporeSigma, Pall e NovaSep-foram avaliados, incluindo tela média, tela de suspensão leve-e configurações de canal-aberto. Quatro produtos biológicos representativos, incluindo IgG4-sensível ao cisalhamento, IgG1-tolerante ao cisalhamento e proteínas de fusão, foram usados ​​como amostras de teste. Métodos analíticos como testes de filtrabilidade SEC, MFI, DLS e Vmax foram aplicados para avaliar sistematicamente o desempenho hidráulico de diferentes projetos de canais e seu impacto na qualidade do produto.

Os resultados experimentais mostram que a estrutura do canal (tela) determina diretamente a intensidade de cisalhamento e a eficiência de transferência de massa. O canal de tela média exibiu o maior coeficiente de transferência de massa; no entanto, tanto a tensão de cisalhamento da parede quanto a tensão de cisalhamento total foram significativamente elevadas. Em contraste, a configuração de canal - aberto (sem tela) gerou a menor tensão de cisalhamento, mas sofreu com um desempenho de transferência de massa extremamente ruim, exigindo ciclos de recirculação excessivos e resultando em baixa eficiência do processo. O canal de tela de suspensão leve (Pellicon D) demonstrou o melhor desempenho geral. Seu coeficiente de transferência de massa era apenas 22% inferior ao da tela média, mas 260% superior ao do design de canal-aberto. Enquanto isso, sua tensão de cisalhamento total foi a mais baixa entre todas as configurações, de apenas 1.120 Pa. Em termos de qualidade do produto, as proteínas sensíveis-ao cisalhamento processadas usando a tela média mostraram um aumento de 78% a 186% em agregados solúveis, juntamente com um aumento significativo em partículas sub{14}}visíveis. O valor Vmax para filtração esterilizante de 0,2 μm foi muito baixo, indicando grave incrustação da membrana e baixa filtrabilidade. Por outro lado, as amostras processadas com o canal de tela de suspensão leve mostraram apenas um aumento de 0% a 25% na agregação, níveis de partículas significativamente reduzidos e uma melhoria de 3 a 18x no desempenho de filtração. Estudos de alta-concentração confirmaram ainda que o canal da tela de suspensão de luz manteve a pressão transmembrana estável e poderia facilmente atingir concentrações acima de 200 g/L. Em comparação, o canal de peneira média exibiu um aumento acentuado na pressão em altas concentrações, dificultando o alcance das concentrações alvo e resultando na degradação da qualidade do produto.

 

(Referência 3: "Comportamento de ultrafiltração de vetores virais adeno{1}}recombinantes associados usados ​​em terapia genética", 2021)comparou o impacto dos designs de canal C-tela e D-tela no processo UF/DF de vetores AAV.

Os resultados mostraram que quando a tela D- foi usada, a pressão transmembrana crítica (TMP) foi menor e o fluxo médio foi reduzido em 14%.

A Fig. 2C apresenta dados de fluxo versus TMP usando a membrana de 30 kDa com a tela "D". A tela D ou a tela V não seriam adequadas para ultrafiltração de correntes de alimentação de baixa viscosidade neste trabalho. Trabalhos anteriores do nosso grupo usaram esses canais selecionados para anticorpos monoclonais de alta concentração e proteínas de fusão Fc- [13,33]. Para AAV2 com o dispositivo de tela "D", o TMP crítico foi alcançado em um TMP inferior ao do dispositivo de tela "C" mostrado na Fig. 2A. Consistente com as expectativas teóricas, o fluxo com o dispositivo de tela "D" foi em média 14% menor em taxas de fluxo de alimentação de Q=350 L/h/m2 e Q=500 L/h/m2 (p <0,05) em comparação com o dispositivo de tela "C", mas não houve diferença entre a tela "C" (RC2A) e os dispositivos de tela "D" (RC2B) em uma taxa de fluxo de alimentação de Q=120 L/h/m2 (p > 0,05) (Fig. 2C).

ⅡRecomendações de implementação:

Portanto, pode-se concluir que o tipo de tela é um fator crítico que afeta o desempenho do processo e a qualidade do produto e deve ser considerado adequadamente em modelos de redução-de escala. Consequentemente, em resposta à pergunta, se um cassete de membrana de tela C- idêntico não estiver disponível, não é apropriado simplesmente realizar uma substituição direta com base no "mesmo tamanho de poro, mas tipo de tela diferente", como substituí-lo por um cassete de membrana de tela A-.

A substituição direta (ou seja, utilizando os mesmos parâmetros operacionais) geralmente não é representativa, especialmente nos seguintes casos:

· Quando o produto é sensível-ao cisalhamento (por exemplo, anticorpos monoclonais, proteínas de fusão, vetores virais).

· Quando é necessária uma previsão precisa do desempenho-de processos em larga escala, incluindo fluxo, tempo de filtração e comportamento de incrustação.

· Quando estudos de caracterização de processos são conduzidos para definir o espaço de projeto de parâmetros críticos de processo (CPPs), como pressão transmembrana (TMP) e velocidade de fluxo cruzado.

Existem então outras opções alternativas ou medidas de implementação adequadas? Após discussão, a equipe Xingchen recomenda a seguinte abordagem:

 

1．Identificar cassetes de membrana alternativos funcionalmente equivalentes

Isso envolve a identificação de cassetes de membrana de pequena{0}}escala de outros fornecedores que apresentam características hidrodinâmicas semelhantes, especialmente comportamento de cisalhamento.

Recomenda-se consultar fornecedores de cassetes de membrana de ultrafiltração e solicitar produtos em escala-de laboratório projetados com base em princípios semelhantes e que apresentem dinâmica de fluxo comparável ao cassete de canal de tela C-usado na produção.

Os principais parâmetros dos cassetes candidatos devem ser comparados com o cassete de tela C-alvo, incluindo altura do canal (ou diâmetro hidráulico), estrutura da tela (por exemplo, tipo de tela), material da membrana e tamanho dos poros, pois esses fatores determinam as forças de cisalhamento geradas nos cassetes de ultrafiltração.

 

2. Use um cassete de tela-A e compense as diferenças hidrodinâmicas ajustando os parâmetros operacionais

Em teoria, a configuração da tela A-normalmente tem um canal de fluxo mais estreito do que a tela C-, o que pode resultar em maior tensão de cisalhamento. Portanto, a diferença de cisalhamento entre os dois sistemas sob a mesma vazão de alimentação deve ser estimada através de cálculo ou simulação computacional de dinâmica de fluidos (CFD).

A taxa de fluxo de alimentação (Q) do sistema de tela A-de pequena escala-deve então ser ajustada de modo que a tensão de cisalhamento gerada na superfície da membrana corresponda à tensão de cisalhamento produzida pelo sistema de tela C-de grande-escala sob as condições de fluxo operacional alvo.

Sob as condições de cisalhamento ajustadas, realize experimentos-em pequena escala para medir os principais indicadores de desempenho, como fluxo e taxa de retenção. Esses resultados devem então ser comparados com dados históricos ou dados experimentais paralelos do sistema de tela C-em grande-escala para validar sua capacidade preditiva.

 

3. Concentre-se em aspectos específicos e estabeleça um modelo de redução de representatividade-reduzida

Se o foco da caracterização do processo não estiver em produtos sensíveis-ao cisalhamento ou se o objetivo principal for avaliar as características de retenção da membrana em vez da hidrodinâmica, o impacto das diferenças de tela poderá ser relativamente menor.

Portanto, é necessário demonstrar que, no âmbito do seu estudo, o tipo de tela não é uma fonte crítica de variabilidade. Por exemplo, se o objetivo principal for investigar o efeito do corte de peso molecular da membrana-(MWCO) na retenção de uma proteína alvo, e o processo operar sob condições de baixo-cisalhamento, então usar uma tela A-para triagem preliminar pode ser aceitável.

No entanto, deve ser reconhecido que quaisquer estudos subsequentes envolvendo fluxo, incrustação, tempo de concentração ou agregação de produto podem ser tendenciosos devido a diferenças no tipo de tela.