使い捨てバイオリアクター

シングルユースバイオリアクターまたは使い捨てバイオリアクターは、培養容器の代わりに使い捨てバッグを備えたバイオリアクターです。通常、これは細胞培養物と接触するライニングがプラスチックであり、このライニングがより永続的な構造（通常、ロッカーまたは直方体または円筒形の鋼鉄製サポート）内に包まれているバイオリアクターを指します。市販のシングルユースバイオリアクターは1990年代末から利用可能であり^[要出典]、現在ではいくつかの有名な製造業者によって製造されています（以下を参照）。

使い捨てバイオリアクターは哺乳類細胞培養の分野で広く使用されており、現在では従来のバイオリアクターに急速に取って代わっています。

使い捨てバイオリアクターには、ステンレス鋼やガラス製の培養容器の代わりに、使い捨てバッグが装備されています。使い捨てバッグは通常、3層のプラスチックホイルで作られています。1層目は、機械的安定性を確保するためにポリエチレンテレフタレートまたはLDPEで作られています。2層目はPVAまたはPVCで作られ、ガスバリアとして機能します。最後に、接触層はPVAまたはPPで作られています。^[1]医療用途の場合、製品に接触する使い捨て材料は、欧州医薬品庁または他の地域を担当する同様の当局によって認定されている必要があります。

一般に、使い捨てバイオリアクターを構築するには、培養培地を撹拌する手段が異なる 2 つの異なるアプローチがあります。

一部の使い捨てバイオリアクターは、従来のバイオリアクターと同様に撹拌器を使用しますが、撹拌器はプラスチック バッグに統合されています。密閉されたバッグと撹拌器は事前に滅菌されています。使用時には、バッグがバイオリアクターに取り付けられ、撹拌器は機械的または磁気的にドライバーに接続されます。

他の使い捨てバイオリアクターは、揺動運動によって撹拌される。このタイプのバイオリアクターでは、使い捨てバッグ内に機械的な撹拌機を必要としない。^{[2] [3]}

撹拌式および揺動式の使い捨てバイオリアクターは、1000 リットルの容量まで使用できます。

これら2つの方法にはいくつかのバリエーションがあります。Kuhner Shaker ^[4]はもともと培地調製用に設計されましたが、細胞培養にも役立ちます。PBS Biotech Air Wheelテクノロジーは、空気供給の浮力を利用してスターラーに回転力を提供します。

シングルユースのバイオリアクターを使用した細胞培養プロセスの測定と制御は、培養が行われるバッグが密閉された滅菌済みのシステムであるため、困難です。温度、導電率、グルコース、酸素、または圧力を測定するためのセンサーは、滅菌前の製造中にバッグに組み込む必要があります。従来の場合のように、バイオリアクターの使用前にセンサーを取り付けることはできません。したがって、いくつかの課題を考慮する必要があります。バッグは組み立てられ、配送され、乾燥した状態で保管されるため、通常の pH 電極は使用できません。較正や追加の組み立ては不可能です。これらの制約により、新しいタイプの分析プローブを備えた事前構成済みのバッグが開発されました。pH 値は、わずか数ミリメートルの大きさのパッチを使用して測定できます。このパッチは、pH に敏感な染料が裏に付いた保護膜で構成されています。培養培地の pH が変化すると、染料の pH と色が変わります。色の変化は、バッグの外部にあるレーザーで検出できます。この方法とその他の非侵襲的測定方法は、使い捨てバイオリアクター用に開発されました。

製品と部品/システムの接触を減らすことで、ある医薬品製造プロセスから別の医薬品製造プロセスに変更する際の適格性確認と検証の時間が短縮されます。^[5]バイオ医薬品製造プロセスには、バイオリアクターの使用以外にも多くのステップが含まれるため、その利点からシングルユース技術が製造プロセス全体で活用されています。シングルユースバイオプロセス（SUS）^{[注 1]}で利用可能なステップは、培地と緩衝液の準備、細胞採取、濾過、精製、ウイルス不活化です。このプロセス分野におけるシングルユース技術の主な革新は、2D/3Dバッグとチューブの構築にあり、製品と非シングルユース部品/システムの接触を減らしています。^[6]

従来のバイオリアクターシステムと比較して、シングルユースソリューションにはいくつかの利点があります。シングルユース技術の適用により、洗浄と滅菌の必要性が減ります。固定資産のステンレススチール製バイオリアクターと比較して、シングルユースシステムでは60％以上のコスト削減が見込まれるという推定もあります。医薬品製造では、複雑な資格認定および検証手順が簡単になり、最終的には大幅なコスト削減につながります。^[5]シングルユースバイオリアクターの適用により、交差汚染のリスクが軽減され、生物学的安全性とプロセス安全性が向上します。シングルユースアプリケーションは、あらゆる種類のバイオ医薬品製品に特に適しています。

シングルユースバイオプロセス（SUS）^{[注 1]}が製薬会社や受託製造組織（CMO）に人気がある主な理由は、プロセスエリア/施設をあるプロセス（医薬品）から別のプロセスにすばやく変更できるためです。これは、前述のように、適格性評価および検証手順が削減されるためです。これにより、プロセスの変更に必要なリソースと時間が削減されるため、生産性とコストが向上します。臨床および研究開発段階の医薬品（市販前の医薬品）は、ほとんどの市販医薬品と同じ規模では必要ないため、多くの場合、同じエリア/施設で 1 つの医薬品から別の医薬品にすばやく切り替えられるように、シングルユーススイートで製造されます。医薬品が市販されると、1 つのエリア/施設を 1 つの製品専用にできるため、SUS の利点が低下することがよくあります。つまり、SUS の主な利点である柔軟性が基本的に不要になります。^[6]市販前の医薬品生産の 85% 以上がシングルユースシステムベースの製造を利用していると考えられています。^[7]ステンレススチールの再利用可能なシステムは、医薬品の需要とバッチサイズが増加するにつれて、より有利になります。これは多くの場合、医薬品の商業化の結果として起こります。これは常に当てはまるわけではなく、商業化された医薬品は使い捨てのスーツ/施設で生産されていることもあります。

SUSは従来のバイオ医薬品製造システムに比べて部品点数が少ないため、初期コストとメンテナンスコストが削減されます。^[6]

一部の使い捨てバイオリアクターの使用を制限する要因は、達成可能な酸素移動であり、特定の相面積 (a) に対する特定の物質移動係数 (k _{L ) によって表され、結果として体積酸素物質移動係数 (k L} a) となります。理論的には、これはより高いエネルギー入力 (スターラー速度またはロッキング周波数の増加) によって影響を受ける可能性があります。ただし、使い捨てバイオリアクターは主に細胞培養に使用されるため、エネルギー入力は細胞の繊細な性質によって制限されます。エネルギー入力が高いほど、せん断力が大きくなり、細胞損傷のリスクが生じます。^[8] 使い捨てバイオリアクターは現在、最大約 1000 L の容量で利用可能であるため、従来のバイオリアクターと比較してスケールアップが制限されています。しかし、現在、少数のサプライヤが 2,000 リットル規模のユニットを提供しており、一部のサプライヤ (Sartorius、Xcellerex、Thermo Scientific HyClone、PBS Biotech) は、ベンチトップから本格的な生産まで、使い捨てバイオリアクターのファミリーを提供しています。使い捨てバイオリアクターの採用を迅速かつ拡大するには、1) より高品質で低コストの使い捨てバッグと容器、2) リアルタイムの細胞培養レベルのデータ ポイントを含む高品質の分析を提供できる、より再利用可能で使い捨てのセンサーとプローブ、3) 研究室から生産まで、バイオプロセスをフルにスケールアップしたバイオリアクターのファミリーという 3 つの課題があります。サプライヤは、プラスチック バッグの素材と性能の向上に取り組んでいるほか、細胞密度、品質、および収量と製品の有効性を向上させるために必要なその他の指標について科学者に深い洞察を提供する、より幅広いセンサーとプローブの開発にも取り組んでいます。新しい灌流装置も、特定の細胞培養用途で人気が高まっています。

従来のバイオリアクターと比較して、使用される使い捨て材料の量が多いため、使い捨てバイオリアクターの環境面を考慮することが重要です。使い捨てバイオリアクターと従来のバイオリアクターを比較する完全なライフサイクルアセスメントは存在しませんが、多くの生態学的理由が使い捨てバイオリアクターの概念を支持しています。完全なライフサイクルアセスメントでは、製造だけでなく繰り返し使用も考慮する必要があります。使い捨てバイオリアクターの主要部分でさえ使い捨てではなく、継続的に再利用されます。培養容器の代わりに使用されるプラスチックバッグは使い捨てであり、センサー、チューブ、スターラーなどの統合されたサブアセンブリもすべて使い捨てです。バッグとそのすべての部品は、主に石油由来のプラスチックで作られています。現在のリサイクルの概念は、主に焼却に焦点を当てており、石油から発生するエネルギーを熱と電気として回収します。石油のほとんどは、いずれにせよ発電所や自動車で燃やされるでしょう（引用が必要）。バイオリアクターの使い捨て部品を燃やすと、そのライフサイクル中に生化学工学を迂回することになりますが、大きな影響はありません。ステンレス鋼やガラスで従来の培養容器を作るには、ビニール袋を作るよりも多くのエネルギーが必要です。従来のバイオリアクターを使用する場合、培養容器は発酵のたびに洗浄して殺菌する必要があります。洗浄には、酸、アルカリ、洗剤に加えて、大量の水が必要です。121 度 C および 1 bar の圧力の蒸気で殺菌するには、大量のエネルギーと大量の蒸留水が必要です。この蒸留水 (製薬用語では「注射用水」と呼ばれることが多い) も、大量のエネルギーを費やして準備する必要があります。従来のバイオリアクターと使い捨てバイオリアクターのライフサイクル評価を比較すると、以前予想されていたように、使い捨てバイオリアクターの方がはるかに有利です。A. Sinclair らのレポートによると、^[9]使い捨てバイオリアクターは、従来のバイオリアクターと比較して、動作に必要な電気エネルギーを30％、システムの生産に必要なエネルギーを62％、水を87％、洗剤を95％節約するのに役立ちます。

• ホワイトペーパー: 使い捨てバイオプロセス技術と従来のバイオプロセス技術の環境ライフサイクル評価の比較