UF/DF-schaal-Down-modellering met alternatieve schermkanaalcassettes

Wat moet er worden gedaan als de ontwerpruimte die tijdens de proceskarakterisering wordt vastgesteld breder of smaller is dan de operationele parameterbereiken die worden gebruikt voor de productie van fase III-batches van klinische onderzoeken?

Ⅰ. Probleemanalyse

Overweging:De vraag heeft betrekking op de representativiteit van een schaal-downmodel voor een ultrafiltratie/diafiltratieproces (UF/DF). Omdat er geen C--ultrafiltratiecassette met zeefkanaal met de vereiste poriegrootte/MWCO beschikbaar is, is het de bedoeling dat ter vervanging een A--ultrafiltratiecassette met zeefkanaal wordt gebruikt. De hamvraag is of de A-schermcassette kan dienen als een representatief schaalmodel-.

Om deze vraag te beantwoorden moeten we eerst begrijpen of er verschillen zijn tussen ultrafiltratiecassettes met verschillende zeefkanaalontwerpen en welke impact deze verschillen kunnen hebben op het UF/DF-proces.

1. Selectie van verschillende schermkanaaltypen in ultrafiltratiecassettes

 

Wat betreft de kennis van verschillende zeefkanaaltypen in ultrafiltratiecassettes, wordt een gedetailleerde beschrijving gegeven in (Document 1: Ultrafiltratie/diafiltratieprocesontwikkeling van toepassingen met hoge concentratie/viscositeit):

Momenteel bieden wij vier verschillende schermen aan: (A, C, D en V) in het Pellicon® cassetteformaat assortiment.

 

Een scherm: Een strak scherm dat wordt gebruikt voor verdunde eiwitoplossingen of oplossingen met een lage viscositeit. Het strakke weefsel is niet geschikt voor hooggeconcentreerde eiwitoplossingen, omdat de drukval onaanvaardbaar hoog is bij hogere viscositeiten. Dit scherm biedt echter doorgaans superieure fluxprestaties.

 

C-scherm:Een grove zeef die gebruikt wordt voor productstromen met een viscositeit tot 15 cP. Het C-scherm biedt goede fluxprestaties, maar de drukval ligt boven de gebruikslimiet wanneer de viscositeit toeneemt.

 

V-scherm: Een hangend C-scherm. Het V-scherm geeft lagere drukvallen dan het C-scherm, maar de fluxprestaties zijn veel lager vergeleken met het C-scherm.

 

D-scherm: Dit nieuwe scherm heeft een grovere maaswijdte en een gewijzigd weefsel vergeleken met het standaard C-scherm. Het is ontworpen om een ​​lagere drukval te bieden zonder de grote fluxprestatievermindering die optreedt bij het gebruik van een hangende schermtechnologie.

 

Op basis van de bovenstaande beschrijving van verschillende schermtypen en publiekelijk beschikbare informatie kunnen de kenmerken van verschillende schermkanalen als volgt worden samengevat:

 

2. Impact van verschillende schermkanaaltypen op UF/DF-processen

Op basis van de bovenstaande beschrijvingen kan redelijkerwijs worden geconcludeerd dat verschillende soorten schermkanalen de prestaties van het UF/DF-proces rechtstreeks beïnvloeden:

 

Vloeistofdynamica en schuifkracht:
 

Omdat de zeefstructuur (mesh) het stromingspatroon van de vloeistof over het membraanoppervlak bepaalt, evenals de mate van turbulentie en de daaruit voortvloeiende gegenereerde schuifkrachten.

 

Efficiëntie van massaoverdracht:
 

Het type scherm beïnvloedt de concentratiepolarisatie en de beheersing van membraanvervuiling.

 

Procesprestaties:
 

Zoals de uiteindelijke flux, de retentiesnelheid en de productkwaliteit (bijvoorbeeld door afschuiving-geïnduceerde aggregatie).

 

(Referentie 2: "Effect van kanaal-geïnduceerde schuifkracht op biologische stoffen tijdens ultrafiltratie-diafiltratie (UF/DF), 2016")demonstreert de impact van schuifkrachten veroorzaakt door verschillende schermkanaalontwerpen op de kwaliteit van biofarmaceutische producten zoals monoklonale antilichamen en fusie-eiwitten.

In dit onderzoek werden onder gestandaardiseerde productieomstandigheden met een vaste voedingsstroom (300 LMH) en transmembraandruk (1,4 bar) membraanmodules van drie fabrikanten-MilliporeSigma, Pall en NovaSep- geëvalueerd, waaronder configuraties met medium scherm, licht-ophangscherm en open- kanaalconfiguraties. Vier representatieve biologische geneesmiddelen, waaronder afschuif-gevoelige IgG4, afschuif-tolerante IgG1 en fusie-eiwitten, werden als testmonsters gebruikt. Analytische methoden zoals SEC-, MFI-, DLS- en Vmax-filtreerbaarheidstests werden toegepast om systematisch de hydraulische prestaties van verschillende kanaalontwerpen en hun impact op de productkwaliteit te beoordelen.

De experimentele resultaten laten zien dat de kanaalstructuur (schermstructuur) rechtstreeks de afschuifintensiteit en de massaoverdrachtsefficiëntie bepaalt. Het medium schermkanaal vertoonde de hoogste massaoverdrachtscoëfficiënt; zowel de wandschuifspanning als de totale schuifspanning waren echter aanzienlijk verhoogd. De open--kanaalconfiguratie (schermloos) genereerde daarentegen de laagste schuifspanning, maar had te kampen met extreem slechte massaoverdrachtsprestaties, waardoor buitensporige recirculatiecycli nodig waren en dit resulteerde in een lage procesefficiëntie. Het licht ophangende schermkanaal (Pellicon D) demonstreerde de beste algehele prestaties. De massaoverdrachtscoëfficiënt was slechts 22% lager dan die van het middelgrote scherm, maar toch 260% hoger dan die van het open-ontwerp. Ondertussen was de totale schuifspanning de laagste van alle configuraties, namelijk slechts 1120 Pa. In termen van productkwaliteit vertoonden schuifgevoelige eiwitten verwerkt met behulp van de mediumscreen een toename van 78%–186% in oplosbare aggregaten, samen met een aanzienlijke toename van sub-zichtbare deeltjes. De Vmax-waarde voor steriliserende filtratie van 0,2 μm was erg laag, wat wijst op ernstige membraanvervuiling en slechte filtreerbaarheid. Monsters die met het lichte ophangschermkanaal waren verwerkt, vertoonden daarentegen slechts een toename van 0% tot 25% in aggregatie, aanzienlijk lagere deeltjesniveaus en een verbetering van 3 tot 18x ​​in de filtratieprestaties. Concentratiestudies met hoge{23}}concentraties bevestigden verder dat het lichtophangende schermkanaal een stabiele transmembraandruk handhaafde en gemakkelijk concentraties boven 200 g/l kon bereiken. Ter vergelijking: het middenzeefkanaal vertoonde een scherpe toename van de druk bij hoge concentraties, waardoor het moeilijk werd om de doelconcentraties te bereiken en dit resulteerde in een verslechterde productkwaliteit.

 

(Referentie 3: "Ultrafiltratiegedrag van recombinante adeno-geassocieerde virale vectoren gebruikt bij gentherapie", 2021)vergeleek de impact van C-screen- en D-screen-kanaalontwerpen op het UF/DF-proces van AAV-vectoren.

De resultaten toonden aan dat wanneer het D--scherm werd gebruikt, de kritische transmembraandruk (TMP) lager was en de gemiddelde flux met 14% werd verminderd.

Fig. 2C presenteert flux versus TMP-gegevens met behulp van het 30 kDa-membraan met het "D"-scherm. De D-zeef of de V-zeef zouden in dit werk niet geschikt zijn voor ultrafiltratie van voedingsstromen met een lage viscositeit. Eerder werk van onze groep heeft deze gescreende kanalen gebruikt voor hoge concentratie monoklonale antilichamen en Fc-fusie-eiwitten [13,33]. Voor AAV2 met het "D"-schermapparaat werd de kritische TMP bereikt bij een lagere TMP dan die met het "C"-schermapparaat getoond in figuur . 2A. In overeenstemming met de theoretische verwachtingen was de flux met het "D"-schermapparaat gemiddeld 14% lager bij voedingsstroomsnelheden van Q=350 L/u/m2 en Q=500 L/u/m2 (p < 0,05) vergeleken met het "C"-schermapparaat, maar er was geen verschil tussen het "C"-scherm (RC2A) en de "D"-schermapparaten (RC2B) bij een voedingsstroomsnelheid van Q=120 L/u/m2 (p > 0,05) (Fig. 2C).

ⅡImplementatieaanbevelingen:

Daarom kan worden geconcludeerd dat het zeeftype een kritische factor is die zowel de procesprestaties als de productkwaliteit beïnvloedt, en dat er goed rekening mee moet worden gehouden in schaal-downmodellen. Dienovereenkomstig is het, in antwoord op de vraag, als er geen identieke C-schermmembraancassette beschikbaar is, niet eenvoudigweg een directe vervanging uit te voeren op basis van "dezelfde poriegrootte maar een ander schermtype", zoals het vervangen ervan door een A-schermmembraancassette.

Directe vervanging (dat wil zeggen, gebruik maken van dezelfde bedrijfsparameters) is over het algemeen niet representatief, vooral in de volgende gevallen:

· Als het product afschuifgevoelig- is (bijvoorbeeld monoklonale antilichamen, fusie-eiwitten, virale vectoren).

· Wanneer nauwkeurige voorspelling van procesprestaties op grote schaal- vereist is, inclusief flux, filtratietijd en vervuilingsgedrag.

· Wanneer proceskarakteriseringsstudies worden uitgevoerd om de ontwerpruimte van kritische procesparameters (CPP's) te definiëren, zoals transmembraandruk (TMP) en dwarsstroomsnelheid.

Zijn er dan nog andere geschikte alternatieven of uitvoeringsmaatregelen? Na discussie beveelt het Xingchen-team de volgende aanpak aan:

 

1.Identificeer functioneel gelijkwaardige alternatieve membraancassettes

Dit omvat het identificeren van kleinschalige-membraancassettes van andere leveranciers die vergelijkbare hydrodynamische kenmerken vertonen, met name afschuifgedrag.

Het wordt aanbevolen om leveranciers van ultrafiltratiemembraancassettes te raadplegen en producten op laboratorium-schaal aan te vragen die zijn ontworpen op basis van vergelijkbare principes en een stroomdynamiek vertonen die vergelijkbaar is met de C-schermkanaalcassette die bij de productie wordt gebruikt.

De belangrijkste parameters van kandidaatcassettes moeten worden vergeleken met de beoogde C--schermcassette, inclusief kanaalhoogte (of hydraulische diameter), schermstructuur (bijv. schermtype), membraanmateriaal en poriegrootte, aangezien deze factoren de schuifkrachten bepalen die worden gegenereerd in ultrafiltratiecassettes.

 

2.Gebruik een A-zeefcassette en compenseer hydrodynamische verschillen door de bedrijfsparameters aan te passen

In theorie heeft de A--schermconfiguratie doorgaans een strakker stromingskanaal dan het C--scherm, wat kan resulteren in een hogere schuifspanning. Daarom moet het afschuifverschil tussen de twee systemen bij hetzelfde voedingsdebiet worden geschat door middel van berekeningen of computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulatie.

De voedingsstroomsnelheid (Q) van het kleinschalige-schaal A- schermsysteem moet dan zo worden aangepast dat de schuifspanning die wordt gegenereerd op het membraanoppervlak overeenkomt met de schuifspanning die wordt geproduceerd door het grootschalige -schaal C- schermsysteem onder de beoogde operationele stromingsomstandigheden.

Voer onder de aangepaste afschuifomstandigheden kleinschalige-experimenten uit om belangrijke prestatie-indicatoren zoals flux en retentiepercentage te meten. Deze resultaten moeten vervolgens worden vergeleken met historische gegevens of parallelle experimentele gegevens van het grootschalige C--schermsysteem op grote -schaal om het voorspellende vermogen ervan te valideren.

 

3. Concentreer u op specifieke aspecten en stel een model op met een lagere representativiteit-

Als de focus van de proceskarakterisering niet op schuif{0}}gevoelige producten ligt, of als het primaire doel het evalueren van de membraanretentiekarakteristieken is in plaats van de hydrodynamica, dan kan de impact van schermverschillen relatief klein zijn.

Daarom is het noodzakelijk om aan te tonen dat, binnen de reikwijdte van uw onderzoek, het schermtype geen kritische bron van variabiliteit is. Als het hoofddoel bijvoorbeeld is om het effect van de membraanmoleculaire gewichtslimiet (MWCO) op de retentie van een doeleiwit te onderzoeken, en het proces werkt onder omstandigheden met lage- afschuiving, dan kan het gebruik van een A--scherm voor voorlopige screening acceptabel zijn.

Er moet echter worden erkend dat eventuele vervolgonderzoeken met betrekking tot flux, vervuiling, concentratietijd of productaggregatie vertekend kunnen zijn vanwege verschillen in schermtype.