UF/DF-skala-nedmodellering med alternative skjermkanalkassetter

Hva bør gjøres hvis designrommet som er etablert under prosesskarakterisering enten er bredere eller smalere enn driftsparameterområdene som brukes til å produsere fase III kliniske forsøkspartier?

Ⅰ. Problemanalyse

Betraktning:Spørsmålet gjelder representativiteten til en -nedskaleringsmodell for en ultrafiltrerings-/diafiltreringsprosess (UF/DF). Siden en C--skjermkanal-ultrafiltreringskassett med nødvendig porestørrelse/MWCO ikke er tilgjengelig, er en A--skjermkanal-ultrafiltreringskassett planlagt brukt som erstatning. Nøkkelspørsmålet er om A-skjermkassetten kan fungere som en representativ nedskaleringsmodell.-

For å svare på dette spørsmålet må vi først forstå om det er forskjeller mellom ultrafiltreringskassetter med forskjellige skjermkanaldesign og hvilken innvirkning disse forskjellene kan ha på UF/DF-prosessen.

1. Valg av forskjellige skjermkanaltyper i ultrafiltreringskassetter

 

Når det gjelder kunnskap om ulike skjermkanaltyper i ultrafiltreringskassetter, er en detaljert beskrivelse gitt i (Dokument 1: Ultrafiltration/Diafiltration Process Development of High Concentration/Viscosity Applications):

Vi tilbyr for tiden fire forskjellige skjermer: (A, C, D og V) i Pellicon®-kassettformatserien.

 

En skjerm: En tett skjerm som brukes til fortynnet proteinløsning eller lavviskositetsløsninger. Den tette vevingen er ikke egnet for høyt konsentrerte proteinløsninger da trykkfallet er uakseptabelt høyt ved større viskositeter. Imidlertid gir denne skjermen vanligvis overlegen fluksytelse.

 

C-skjerm:En grovsil som brukes til produktstrømmer med viskositet opp til 15 cP. C-skjermen gir god fluksytelse, men trykkfallet er over bruksgrensen når viskositeten øker.

 

V-skjerm: En opphengt C-skjerm. V-skjermen gir lavere trykkfall enn C-skjermen, men fluksytelsen er mye lavere sammenlignet med C-skjermen.

 

D skjerm: Denne nye skjermen har et grovere mesh og endret vev sammenlignet med standard C-skjermen. Den ble designet for å gi lavere trykkfall uten den store fluksytelsesstraffen som finnes ved bruk av suspendert skjermteknologi.

 

Basert på beskrivelsen ovenfor av forskjellige skjermtyper og offentlig tilgjengelig informasjon, kan egenskapene til forskjellige skjermkanaler oppsummeres som følger:

 

2. Innvirkningen av forskjellige skjermkanaltyper på UF/DF-prosesser

Basert på beskrivelsene ovenfor, kan det med rimelighet utledes at ulike typer skjermkanaler direkte påvirker UF/DF-prosessytelsen:

 

Væskedynamikk og skjærkraft:
 

Fordi silstrukturen (nettverket) bestemmer strømningsmønsteret til væsken over membranoverflaten, så vel som graden av turbulens og de resulterende skjærkreftene som genereres.

 

Masseoverføringseffektivitet:
 

Typen skjerm påvirker konsentrasjonspolarisering og kontroll av membranbegroing.

 

Prosessytelse:
 

Slik som endelig fluks, retensjonsgrad og produktkvalitet (f.eks. skjær-indusert aggregering).

 

(Referanse 2: "Effekt av kanal-indusert skjærpåvirkning på biologiske stoffer under ultrafiltreringsdiafiltrering (UF/DF), 2016")demonstrerer virkningen av skjærkrefter indusert av forskjellige skjermkanaldesigner på kvaliteten til biofarmasøytiske produkter som monoklonale antistoffer og fusjonsproteiner.

I denne studien, under standardiserte produksjonsforhold med fast flux (300 LMH) og transmembrantrykk (1,4 bar), ble membranmoduler fra tre produsenter -MilliporeSigma, Pall og NovaSep- evaluert, inkludert medium skjerm, lett -suspensjonsskjerm og åpen--kanal. Fire representative biologiske stoffer, inkludert skjær-sensitiv IgG4, skjær-tolerant IgG1 og fusjonsproteiner, ble brukt som testprøver. Analysemetoder som SEC, MFI, DLS og Vmax filtrerbarhetstester ble brukt for å systematisk vurdere den hydrauliske ytelsen til forskjellige kanaldesigner og deres innvirkning på produktkvaliteten.

De eksperimentelle resultatene viser at kanalstrukturen direkte bestemmer skjærintensitet og masseoverføringseffektivitet. Den medium skjermkanalen viste den høyeste masseoverføringskoeffisienten; Imidlertid var både veggskjærspenning og total skjærspenning betydelig forhøyet. I kontrast genererte den åpne-kanal-konfigurasjonen (skjermløs) den laveste skjærspenningen, men led av ekstremt dårlig masseoverføringsytelse, som krevde for store resirkuleringssykluser og resulterte i lav prosesseffektivitet. Den lette suspensjonsskjermkanalen (Pellicon D) viste den beste generelle ytelsen. Masseoverføringskoeffisienten var bare 22 % lavere enn for middels skjerm, men likevel 260 % ​​høyere enn for den åpne-kanaldesignen. I mellomtiden var dens totale skjærspenning den laveste blant alle konfigurasjoner, på bare 1120 Pa. Når det gjelder produktkvalitet, viste skjærfølsomme proteiner behandlet ved bruk av medium screen en 78–186 % økning i løselige aggregater, sammen med en betydelig økning i sub-synlige partikler. Vmax-verdien for 0,2 μm steriliseringsfiltrering var svært lav, noe som indikerer alvorlig membranbegroing og dårlig filtrerbarhet. Derimot viste prøver behandlet med den lette suspensjonsskjermkanalen bare en 0%–25% økning i aggregering, betydelig reduserte partikkelnivåer og en 3–18× forbedring i filtreringsytelse. Studier med høy-konsentrasjonskonsentrasjon bekreftet videre at den lette suspensjonsskjermkanalen opprettholdt stabilt transmembrantrykk og lett kunne oppnå konsentrasjoner over 200 g/L. Til sammenligning viste den medium skjermkanalen en kraftig økning i trykk ved høye konsentrasjoner, noe som gjorde det vanskelig å nå målkonsentrasjoner og resulterte i forringet produktkvalitet.

 

(Referanse 3: "Ultrafiltreringsadferd til rekombinante adeno-assosierte virale vektorer brukt i genterapi", 2021)sammenlignet virkningen av C-skjerm- og D-skjermkanaldesign på UF/DF-prosessen til AAV-vektorer.

Resultatene viste at når D--skjermen ble brukt, var det kritiske transmembrane trykket (TMP) lavere, og den gjennomsnittlige fluksen ble redusert med 14 %.

Fig. 2C viser fluks versus TMP-data ved å bruke 30 kDa-membranen med "D"-skjermen. D-silen eller V-silen ville ikke være egnet for ultrafiltrering av lavviskositets-matestrømmer i dette arbeidet. Tidligere arbeid fra vår gruppe har brukt disse screenede kanalene for høykonsentrasjon av monoklonale antistoffer og Fc-fusjonsproteiner [13,33]. For AAV2 med "D"-skjermenheten ble den kritiske TMP nådd ved lavere TMP enn den med "C"-skjermenheten vist i fig . 2A. I samsvar med teoretiske forventninger var fluksen med "D"-skjermenheten i gjennomsnitt 14 % lavere ved matestrømhastigheter på Q=350 L/h/m2 og Q=500 L/h/m2 (p < 0,05) sammenlignet med "C"-skjermen, men det var ingen forskjell mellom "C"-skjermen (RCD2)-enheten til en strømningshastighet på en "RCD2"-enhet og Q-matingshastigheten (RCD2A)=120 L/t/m2 (p > 0,05) (Fig. 2C).

ⅡImplementeringsanbefalinger:

Det kan derfor konkluderes med at skjermtype er en kritisk faktor som påvirker både prosessytelse og produktkvalitet, og må vurderes på riktig måte i nedskalere-modeller. Følgelig, som svar på henvendelsen, hvis en identisk C--skjermmembrankassett ikke er tilgjengelig, er det ikke hensiktsmessig å bare utføre en direkte substitusjon basert på «samme porestørrelse, men annen skjermtype», for eksempel å erstatte den med en A-skjermmembrankassett.

Direkte substitusjon (dvs. å bruke de samme driftsparametrene) er generelt ikke representativt, spesielt i følgende tilfeller:

· Når produktet er skjærfølsomt-(f.eks. monoklonale antistoffer, fusjonsproteiner, virale vektorer).

· Når nøyaktig forutsigelse av prosessytelse i stor skala er nødvendig, inkludert fluks, filtreringstid og tilsmussing.

· Når prosesskarakteriseringsstudier utføres for å definere designrommet til kritiske prosessparametere (CPP), som transmembrantrykk (TMP) og kryssstrømningshastighet.

Finnes det da andre passende alternative alternativer eller implementeringstiltak? Etter diskusjon anbefaler Xingchen-teamet følgende tilnærming:

 

1. Identifiser funksjonelt ekvivalente alternative membrankassetter

Dette innebærer å identifisere små-membrankassetter fra andre leverandører som viser lignende hydrodynamiske egenskaper, spesielt skjæradferd.

Det anbefales å konsultere leverandører av ultrafiltreringsmembrankassetter og be om produkter i laboratorie-skala som er utformet basert på lignende prinsipper og som har flytdynamikk som kan sammenlignes med C-skjermkanalkassetten som brukes i produksjonen.

Nøkkelparametre for kandidatkassetter bør sammenlignes med mål C--skjermkassetten, inkludert kanalhøyde (eller hydraulisk diameter), skjermstruktur (f.eks. skjermtype), membranmateriale og porestørrelse, ettersom disse faktorene bestemmer skjærkreftene som genereres i ultrafiltreringskassetter.

 

2.Bruk en A-skjermkassett og kompenser for hydrodynamiske forskjeller ved å justere driftsparametere

I teorien har A-skjermkonfigurasjonen vanligvis en tettere strømningskanal enn C-skjermen, noe som kan resultere i høyere skjærspenning. Derfor bør skjærforskjellen mellom de to systemene under samme strømningshastighet estimeres gjennom beregning eller simulering av beregningsbasert fluiddynamikk (CFD).

Matestrømningshastigheten (Q) til små-skala A-silsystemet bør deretter justeres slik at skjærspenningen generert ved membranoverflaten samsvarer med skjærspenningen som produseres av stor-skala C-silsystemet under måldriftsflytforholdene.

Under de justerte skjærforholdene, utfør små-skalaeksperimenter for å måle nøkkelytelsesindikatorer som flux og retensjonshastighet. Disse resultatene bør deretter sammenlignes med historiske data eller parallelle eksperimentelle data fra det store-C--skjermsystemet for å validere dets prediksjonsevne.

 

3. Fokuser på spesifikke aspekter og opprett en nedskaleringsmodell for redusert representativitet.-

Hvis fokus for prosesskarakterisering ikke er på skjærfølsomme-produkter, eller hvis hovedmålet er å evaluere membranretensjonsegenskaper i stedet for hydrodynamikk, kan virkningen av skjermforskjeller være relativt liten.

Derfor er det nødvendig å demonstrere at skjermtype innenfor rammen av studien din ikke er en kritisk kilde til variasjon. For eksempel, hvis hovedmålet er å undersøke effekten av membranmolekylvektsavskjæring (MWCO) på retensjonen av et målprotein, og prosessen opererer under forhold med lav-skjærkraft, kan det være akseptabelt å bruke en A--skjerm for foreløpig screening.

Det bør imidlertid erkjennes at alle påfølgende studier som involverer fluks, begroing, konsentrasjonstid eller produktaggregering kan være partisk på grunn av forskjeller i skjermtype.