RAPORT: Na czym polega proces produkcji przeciwciał monoklonalnych w żywych komórkach – opis procesu biotechnologicznego na podstawie know-how Polpharma Biologics

Obecnie najczęstszym rodzajem leków, które są podawane pacjentom są leki tradycyjne. Inaczej niż leki biologiczne, mają prostą strukturę chemiczną, przewidywalne właściwości farmakokinetyczne i farmakodynamiczne. Co więcej, są stabilne, stosunkowo niedrogie i łatwo dostępne. Leki biologiczne działają z dużą dokładnością. Dla wielu pacjentów, którym nie pomaga leczenie tradycyjne, są ostatnią szansą leczenia. Leki biologiczne powstają w żywych komórkach, które hoduje się w laboratorium. Podobnie jak terapie genowe czy komórkowe, zalicza się je do leków przyszłości, które zrewolucjonizują medycynę i dają nadzieję na wyleczenie nieuleczalnych dotąd chorób.

Czym są przeciwciała monoklonalne?

Jednym z rodzajów leków biologicznych są przeciwciała monoklonalne, umożliwiają przeprowadzenie precyzyjnych terapii niektórych chorób przewlekłych. W odróżnieniu od leków tradycyjnych, które bazują na cząsteczkach chemicznych, przeciwciała monoklonalne oddziałują tylko na jeden konkretny antygen, który odgrywa rolę w chorobie (dla porównania leki chemiczne są mniej precyzyjne i mogą mieć szersze działanie). Jak wynika z danych GlobalData (Looking Ahead to 2022 – The Future of Pharma), do 2027 r. sprzedaż leków biologicznych przewyższy sprzedaż leków chemicznych o 120 miliardów dolarów. To pokazuje olbrzymie zapotrzebowanie.

Przeciwciała to bardzo duże białka o złożonej strukturze, które są naturalnie produkowane przez ludzki organizm w odpowiedzi na zagrożenie. Za ich produkcję odpowiadają limfocyty B. Za każdym razem, gdy nasz układ odpornościowy wykryje obecność intruza, czyli obcego antygenu, np. wirusa, limfocyty B produkują przeciwciała. Jednym z rodzajów przeciwciał są tzw. przeciwciała monoklonalne, które są wytwarzane przez jeden klon limfocytów B.

Przeciwciała monoklonalne mają kształt litery „Y”. Można je porównać do samonaprowadzającej amunicji zaprojektowanej przeciwko konkretnemu antygenowi, który przez nasz organizm jest traktowany jak intruz. Jej zadaniem jest wyeliminowanie zagrożenia. Jedno przeciwciało monoklonalne ma za zadanie precyzyjnie rozpoznać i pokonać konkretnego intruza, nie oddziałując na pozostałe funkcje organizmu. Sposób działania przeciwciał monoklonalnych można też porównać do psa ratownika, który podejmuje trop, jest skoncentrowany na nim i na tyle inteligentny, że nie odpuszcza, dopóki nie znajdzie poszukiwanego człowieka.

Przeciwciało monoklonalne to w języku angielskim „monoclonal antibody” (mAB). Z tego względu nazwa każdego rodzaju przeciwciała zawiera w nazwie końcówkę „mab”, np. ranibizumab, natalizumab, vedolizumab czy ocrelizumab.

Przeciwciała monoklonalne można wytworzyć w laboratorium i wykorzystać w formie tzw. leków biologicznych w terapii wielu chorób. Pacjenci przed otrzymaniem leku biologicznego muszą zostać zakwalifikowani do leczenia w ramach programu lekowego. Leki biologiczne są zwykle podawane pacjentom, którzy nie reagują na standardową terapię lub nie mogą jej przyjmować, np. ze względu na uczulenie na standardowy lek. Ze względu na działanie z dużą dokładnością konkretne przeciwciało podane pacjentowi będzie wpływać jedynie na ściśle określony mechanizm, który odgrywa rolę w chorobie. To sprawia, że zarówno skuteczność, jak i bezpieczeństwo leków biologicznych są wysokie. Zaletą terapii biologicznych jest również szybkość działania, a także, ze względu na długi czas utrzymywania się w organizmie, długotrwała skuteczność. Dzięki temu pacjenci przyjmujący lek biologiczny dostają go w postaci zastrzyku lub kroplówki, jedynie raz na kilka tygodni, a nawet miesięcy. To zdecydowanie podnosi komfort leczenia.

Leki biologiczne regulują naturalne procesy zachodzące w organizmie. Nazwa „biologiczne” zwraca uwagę na sposób ich powstawania – leki te są wytwarzane przez żywe struktury. Tego typu leków jest na rynku stosunkowo mało w porównaniu do znanych nam tradycyjnych preparatów, które nazywa się lekami chemicznymi. Są to zwykle niewielkie cząsteczki produkowane w procesach syntezy chemicznej, które mają dobrze poznaną budowę i właściwości.

Firmy biotechnologiczne na całym świecie pracują nad rozwojem technologii, dzięki którym pacjenci, u których zawiodła standardowa terapia, będą mieli dostęp do leczenia. Są to m.in. leki biologiczne. Tego typu leki uznawane są za drogę ratunku również w najcięższych przypadkach choroby. Ich działanie na naturalne procesy zachodzące w organizmie może prowadzić np. do obniżenia stanu zapalnego będącego wynikiem choroby. Terapie biologiczne stosuje się m.in. w stwardnieniu rozsianym, chorobach oczu, np. zwyrodnieniu plamki żółtej, choroby Leśniowskiego-Crohna, łuszczycy, reumatoidalnym zapaleniu stawów czy niektórych typach nowotworów.

Jak się wytwarza leki biologiczne?

Leki biologiczne produkuje się w laboratorium w liniach komórkowych. Najpierw, wykorzystując metody inżynierii genetycznej, zmienia się materiał genetyczny komórek tak, aby wytwarzały one konkretne przeciwciało monoklonalne. Aby jednak mogło ono służyć jako lek, trzeba je produkować na skalę przemysłową. To wymaga opracowania wydajnego procesu produkcyjnego, w którym komórki hoduje się w specjalnych zbiornikach, tzw. bioreaktorach, o pojemności rzędu tysięcy litrów. Warto podkreślić, że cały proces produkcji przeciwciał monoklonalnych zachodzi w komórkach organizmów, a te charakteryzują się naturalną zmiennością. Z tego powodu wytwarzane przez komórki białka mogą się nieznacznie od siebie różnić. Firma biotechnologiczna ustala poziom zmienności, który będzie akceptowany i nie wpłynie na bezpieczeństwo i skuteczność terapii.

Przeciwciała monoklonalne wykorzystywane jako leki biologiczne są więc mieszaniną białek o takich samych właściwościach, które wpływają na organizm pacjenta w ściśle określony sposób.

Leki biologiczne mogą zostać dopuszczone do stosowania u pacjentów dopiero po przejściu przez trzy fazy badań klinicznych. Ich celem jest określenie bezpieczeństwa terapii, ustalenie odpowiedniej dawki preparatu i schematu leczenia, a także jego skuteczności oraz pozytywne zaopiniowanie przez lokalne agencje ochrony zdrowia. Należą do nich Europejska Agencja Leków (European Medicines Agency, EMA) czy Amerykańska Agencja Żywności i Leków (Food and Drug Administration, FDA).

Opracowanie nowego leku biologicznego jest dużo trudniejsze niż opracowywanie leków tradycyjnych (chemicznych). Koszt wdrożenia nowej terapii biologicznej sięga zaś miliardów euro. Jeśli proces zakończy się sukcesem, cały proces produkcyjny chroni nawet 200 różnych patentów. To oznacza, że lek może produkować jedynie firma, która jest odpowiedzialna za jego opracowanie.

Wszystko to sprawia, że terapie biologiczne są bardzo drogie. Jest jednak sposób, aby obniżyć koszty leczenia.

Leki biopodobne     

Po wygaśnięciu ochrony patentowej produkcję tego samego leku mogą rozpocząć inne firmy biotechnologiczne. Lek, który powstał jako pierwszy, nazywa się lekiem referencyjnym. To on jest wzorem do opracowania sposobu wytwarzania przeciwciała monoklonalnego w laboratoriach kolejnych producentów. Wytwarzane przez nich preparaty określa się mianem leków biorównoważnych (potocznie „biopodobnych”). Leki biorównoważne to nadal leki biologiczne.

Leki biorównoważne są lekami powstałymi na wzór leku referencyjnego. Muszą wykazywać takie same właściwości fizykochemiczne, mechanizm działania, bezpieczeństwo i skuteczność stosowania. Nie są to jednak cząsteczki identyczne do tych obecnych w leku referencyjnym. Aby to wyjaśnić, możemy się posłużyć analogią do skoków narciarskich. W przypadku produkcji leków biorównoważnych nie chodzi o to, żeby skoczyć tak samo daleko czy dalej niż konkurent. Chodzi o to, aby skoczyć dokładnie w to samo miejsce i to jeszcze w tym samym stylu.

Jak leki biopodobne wytwarza Polpharma Biologics?

Proces wytwarzania leku referencyjnego jest objęty tajemnicą firmy biotechnologicznej. Dlatego, aby zaprojektować sposób produkcji leku biorównoważnego, należy najpierw dogłębnie poznać strukturę leku referencyjnego. Dopiero wtedy można projektować procesy, które mogą doprowadzić do opracowania leku biorównoważnego.

Jak wygląda rozwój linii komórkowej?

Podobnie jak w przypadku leku referencyjnego, na początku konieczne jest opracowanie linii komórkowej, która będzie produkowała przeciwciała monoklonalne o pożądanych właściwościach. Polpharma Biologics produkuje przeciwciała monoklonalne w liniach komórkowych otrzymanych z komórek jajnika chomika chińskiego, które rozwija już od 2013 r. Dzięki metodom inżynierii genetycznej komórki te można zmienić tak, aby produkowały duże ilości konkretnego przeciwciała. Na tym etapie kluczowe jest także opracowanie optymalnych warunków dla wzrostu komórek m.in. odpowiedniej pożywki, która odżywia hodowlę komórek czy sposobu mieszania hodowli.

Następnie należy sprawdzić, czy wytwarzane przez komórki przeciwciało monoklonalne oddziałuje w ten sam sposób, co lek referencyjny. Ocenia się to za pomocą analizy ok. 50 różnych cech jakościowych przeciwciała, wykorzystując przy tym zazwyczaj więcej niż jedną metodę analityczną. Łącznie każde przeciwciało monoklonalne musi spełnić ok. 150 warunków akceptacji, które dowodzą, że właściwości fizykochemiczne nowego przeciwciała monoklonalnego są podobne do leku referencyjnego. Jeśli któreś z kryteriów nie zostało spełnione, proces wytwarzania przeciwciała w komórkach trzeba dostosować, a następnie ponownie przeprowadzić wszystkie testy.

Przygotowanie produkcji (UpStream Processing)

Dopiero kiedy przeciwciało monoklonalne spełni kryteria akceptacji, możliwe jest przejście do kolejnego etapu produkcji, czyli tzw. zwiększenia wolumenu. Oznacza to przeskalowanie produkcji laboratoryjnej na objętości przemysłowe. Obecnie Polpharma Biologics, polegając na swoim wieloletnim doświadczeniu, może przenosić procesy zachodzące w bioreaktorach o objętości jednego litra do bioreaktorów o objętości nawet 2000 litrów. Jest to możliwe dzięki opracowanym modelom matematycznym, które przewidują, jak zmienią się parametry hodowli, np. pH przy zmieniającej się objętości. Jest to jednak trudne zadanie. Wyobraźmy sobie, że słodzimy szklankę herbaty łyżeczką cukru, a następnie mamy otrzymać dokładnie tak samo słodki napój w 200 litrowej beczce. Wyliczenie odpowiedniej ilości cukru to nie wszystko. Ważny jest także rozkład temperatury płynu w beczce czy sposób mieszania.

Ostatecznie proces przemysłowej produkcji przeciwciała monoklonalnego musi być też odpowiednio wydajny. Komórki w bioreaktorze o objętości tysiąca litrów powinny wyprodukować ok. kilograma produktu.

Obróbka poprodukcyjna (DownStream Processing)

Kiedy uda się już opracować stabilny proces produkcji przeciwciała monoklonalnego, który spełnia wszystkie warunki akceptacji dla leku referencyjnego w objętościach przemysłowych, kolejnym etapem jest oczyszczanie. Oczyszczanie może obejmować nawet osiem różnych etapów, których celem jest pozbycie się resztek pożywki hodowlanej, elementów komórkowych i pozostałości metabolitów. Minimum wydajności oczyszczania wynosi 60 proc., czasami możliwe jest opracowanie metod pozwalających na wydajność rzędu 65-70 proc. Jeśli więc w etapie produkcji komórki wyprodukowały kilogram produktu, celem oczyszczania jest otrzymanie 600 gram przeciwciała monoklonalnego o czystości 99,9 proc.

Opracowywanie, a następnie produkcja leku zachodzi w reżimie sanitarnym, a na każdym etapie sprawdza się czystość wykorzystywanych roztworów. Ostateczny produkt umieszcza się w buforze, który pozwala zachować stabilność leku przez ok. 4 lata.

Badania kliniczne i zatwierdzenie leku

Leki biopodobne, tak samo, jak wszystkie inne leki, muszą przejść przez badania kliniczne, których program zatwierdzają lokalne agencje ochrony zdrowia. W przypadku leków biorównoważnych konieczne jest przeprowadzenie badań fazy I i III. W pierwszej fazie badań badane jest bezpieczeństwo, a także parametry farmakokinetyczne i farmakodynamiczne, które wskazują na działanie leku oraz jego bezpieczeństwo. Ta faza odbywa się z udziałem zdrowych ochotników.

W fazie trzeciej udział biorą osoby chore. Jedna grupa pacjentów otrzymuje potencjalny lek biorównoważny, a druga zatwierdzony wcześniej lek referencyjny. Badanie polega na porównaniu skuteczności działania obu preparatów. Na tym etapie w badaniu bierze udział od ok. 200 do 1000 pacjentów.

Jeśli na wszystkich etapach lek biorównoważny wykazywał odpowiednie podobieństwo do leku referencyjnego, producent może starać się o dopuszczenie leku do obrotu przez lokalne agencje ochrony zdrowia, takie jak EMA czy FDA. Wymaga to złożenia odpowiedniej dokumentacji szczegółowo opisującej m.in. cały proces opracowania leku oraz wyniki badań klinicznych. Dokumentacja może wypełnić nawet sto tysięcy kartek A4. Elementem procesu dopuszczenia leku jest także wizyta przedstawicieli agencji w miejscu produkcji leku i drobiazgowa kontrola.

Proces produkcji przeciwciał monoklonalnych, które będą wykorzystywane jako leki biologiczne, jest więc bardzo skomplikowany i może trwać około dziesięciu lat. Jest także obarczony wysokim ryzykiem. Na każdym etapie prac może się okazać, że przeciwciało nie ma pożądanych właściwości, nie jest wystarczająco bezpieczne lub skuteczne. Taka jest specyfika cząsteczek biologicznych – ich budowa i właściwości nie są dobrze znane i trzeba lat badań, aby je odkryć i przełożyć na praktykę. Koszt opracowania leku biorównoważnego wynosi od 150 do 200 milionów euro.

Ostateczna produkcja pojedynczej serii przeciwciał monoklonalnych wynosi od 50 do 60 dni, ale na każdy dzień produkcji nakłada się kilka miesięcy pracy ogromnej liczby specjalistów.

Leki biorównoważne umożliwiają polepszenie dostępu do leczenia biologicznego dla większej liczby pacjentów, a także obniżenie kosztów terapii.