Biofármacos: una guía completa para la producción de medicamentos proteicos

Los biofármacos, también conocidos como productos biológicos, representan un segmento de rápido crecimiento en la industria farmacéutica. A diferencia de los fármacos tradicionales de molécula pequeña sintetizados químicamente, los biofármacos son moléculas grandes y complejas producidas mediante células u organismos vivos. Los fármacos proteicos, un subconjunto significativo de los biofármacos, ofrecen terapias dirigidas para una amplia gama de enfermedades, como el cáncer, los trastornos autoinmunitarios y las enfermedades infecciosas. Esta guía ofrece una visión general completa de la producción de fármacos proteicos, abarcando aspectos clave desde el desarrollo de líneas celulares hasta la formulación del producto final y el control de calidad.

¿Qué son los fármacos proteicos?

Los fármacos proteicos son proteínas terapéuticas diseñadas para tratar o prevenir enfermedades. Incluyen una diversa gama de moléculas como:

Anticuerpos monoclonales (mAbs): Anticuerpos altamente específicos que se dirigen a antígenos concretos, a menudo utilizados en la inmunoterapia contra el cáncer y en el tratamiento de enfermedades autoinmunitarias. Algunos ejemplos son adalimumab (Humira®) y trastuzumab (Herceptin®).
Proteínas recombinantes: Proteínas producidas mediante la tecnología de ADN recombinante, lo que permite la producción a gran escala de proteínas terapéuticas. La insulina (Humulin®) es un ejemplo clásico.
Enzimas: Proteínas que catalizan reacciones bioquímicas, utilizadas para tratar deficiencias enzimáticas u otros trastornos metabólicos. Algunos ejemplos son la imiglucerasa (Cerezyme®) para la enfermedad de Gaucher.
Proteínas de fusión: Proteínas creadas mediante la unión de dos o más proteínas, a menudo utilizadas para mejorar la eficacia terapéutica o dirigirse a células específicas. El etanercept (Enbrel®) es una proteína de fusión utilizada para tratar la artritis reumatoide.
Citoquinas y factores de crecimiento: Proteínas que regulan el crecimiento y la diferenciación celular, utilizadas para estimular el sistema inmunitario o promover la reparación de tejidos. El interferón alfa (Roferon-A®) y la eritropoyetina (Epogen®) son ejemplos.

El proceso de producción de fármacos proteicos: una visión general

La producción de fármacos proteicos es un proceso complejo de varios pasos que requiere controles estrictos y una ejecución meticulosa. El flujo de trabajo general se puede dividir en las siguientes etapas:

Desarrollo de líneas celulares: Selección e ingeniería de células para producir eficientemente la proteína deseada.
Procesamiento ascendente: Cultivo de las células en biorreactores para maximizar la expresión de la proteína.
Procesamiento descendente: Aislamiento y purificación de la proteína del cultivo celular.
Formulación y llenado-acabado: Preparación del producto farmacéutico final en una formulación adecuada para su administración.
Control de calidad y análisis: Garantizar la seguridad, eficacia y consistencia del producto farmacéutico.

1. Desarrollo de líneas celulares: la base de la producción de proteínas

La línea celular utilizada para la producción de proteínas es un determinante crítico de la calidad y el rendimiento del producto final. Las líneas celulares de mamíferos, como las células de ovario de hámster chino (CHO), son ampliamente utilizadas debido a su capacidad para realizar modificaciones postraduccionales complejas (p. ej., glicosilación) que a menudo son esenciales para la función de la proteína y su inmunogenicidad. También se utilizan otras líneas celulares, como las células de riñón embrionario humano (HEK) 293 y las células de insecto (p. ej., Sf9), dependiendo de la proteína específica y sus requisitos.

Consideraciones clave en el desarrollo de líneas celulares:

Niveles de expresión de la proteína: La selección de células que producen altas cantidades de la proteína objetivo es crucial para una fabricación eficiente. Esto a menudo implica ingeniería genética para optimizar la expresión génica.
Calidad de la proteína: La línea celular debe producir una proteína con el plegamiento, la glicosilación y otras modificaciones postraduccionales correctas para garantizar su función adecuada y minimizar la inmunogenicidad.
Estabilidad celular: La línea celular debe ser genéticamente estable para garantizar una producción de proteínas consistente a lo largo de múltiples generaciones.
Escalabilidad: La línea celular debe ser apta para el cultivo a gran escala en biorreactores.
Cumplimiento normativo: La línea celular debe cumplir con los requisitos normativos de seguridad y calidad.

Ejemplo: Desarrollo de la línea celular CHO

Las células CHO se modifican comúnmente mediante ingeniería para expresar proteínas recombinantes utilizando diversas técnicas, que incluyen:

Transfección: Introducción del gen que codifica la proteína objetivo en las células CHO.
Selección: Selección de las células que han integrado con éxito el gen y están expresando la proteína. Esto a menudo implica el uso de marcadores seleccionables (p. ej., genes de resistencia a antibióticos).
Clonación: Aislamiento de células individuales y su cultivo para formar líneas celulares clonales. Esto asegura que todas las células de la población sean genéticamente idénticas.
Optimización: Optimización de las condiciones de cultivo celular (p. ej., composición del medio, temperatura, pH) para maximizar la expresión y la calidad de la proteína.

2. Procesamiento ascendente: Cultivo de células para la producción de proteínas

El procesamiento ascendente implica el cultivo de la línea celular seleccionada en biorreactores para producir la proteína objetivo. El biorreactor proporciona un entorno controlado con condiciones óptimas para el crecimiento celular y la expresión de la proteína. Los parámetros clave que deben controlarse cuidadosamente incluyen la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto y el suministro de nutrientes.

Tipos de biorreactores:

Biorreactores por lotes (Batch): Un sistema cerrado donde todos los nutrientes se añaden al principio del cultivo. Es un método simple y económico, pero la producción de proteínas está limitada por el agotamiento de los nutrientes y la acumulación de productos de desecho.
Biorreactores por lotes alimentados (Fed-Batch): Los nutrientes se añaden periódicamente durante el cultivo para mantener un crecimiento celular y una expresión de proteínas óptimos. Esto permite mayores densidades celulares y rendimientos de proteínas en comparación con los cultivos por lotes.
Biorreactores continuos (Perfusión): Los nutrientes se añaden continuamente y los productos de desecho se eliminan continuamente. Esto proporciona un entorno estable para el crecimiento celular y la expresión de proteínas, lo que resulta en densidades celulares y rendimientos de proteínas aún mayores. Los sistemas de perfusión se utilizan a menudo para la producción a gran escala.

Optimización del medio:

El medio de cultivo celular proporciona los nutrientes y factores de crecimiento necesarios para el crecimiento celular y la producción de proteínas. La composición óptima del medio depende de la línea celular y de la proteína objetivo. La optimización del medio implica ajustar las concentraciones de varios componentes, como:

Aminoácidos: Los componentes básicos de las proteínas.
Vitaminas: Esenciales para el metabolismo celular.
Factores de crecimiento: Estimulan el crecimiento y la diferenciación celular.
Sales y minerales: Mantienen el equilibrio osmótico y proporcionan iones esenciales.
Azúcares: Proporcionan energía para el metabolismo celular.

Monitorización y control del proceso:

Durante el procesamiento ascendente, es esencial monitorizar y controlar los parámetros clave del proceso para garantizar un crecimiento celular y una expresión de proteínas óptimos. Esto implica el uso de sensores para medir parámetros como la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto, la densidad celular y la concentración de proteínas. Se utilizan sistemas de control para ajustar automáticamente estos parámetros y mantenerlos dentro del rango deseado.

3. Procesamiento descendente: Aislamiento y purificación de la proteína

El procesamiento descendente implica el aislamiento y la purificación de la proteína objetivo del cultivo celular. Este es un paso crítico en el proceso de producción de fármacos proteicos, ya que elimina las impurezas que podrían afectar la seguridad y eficacia del producto final. El procesamiento descendente suele implicar una serie de pasos, que incluyen:

Ruptura celular:

Si la proteína se encuentra dentro de las células, estas deben romperse para liberar la proteína. Esto se puede lograr utilizando varios métodos, como:

Ruptura mecánica: Uso de homogeneización a alta presión o sonicación para romper las células.
Ruptura química: Uso de detergentes o disolventes orgánicos para solubilizar las membranas celulares.
Ruptura enzimática: Uso de enzimas para degradar las paredes celulares.

Clarificación:

Después de la ruptura celular, los restos celulares deben eliminarse para clarificar la solución de proteína. Esto se logra típicamente mediante centrifugación o filtración.

Purificación de la proteína:

La proteína se purifica luego utilizando una variedad de técnicas cromatográficas, como:

Cromatografía de afinidad: Utiliza un ligando que se une específicamente a la proteína objetivo. Esta es una técnica altamente selectiva que puede alcanzar una alta pureza en un solo paso. Por ejemplo, los anticuerpos o las proteínas marcadas (p. ej., proteínas con etiqueta de histidina) se purifican a menudo mediante cromatografía de afinidad.
Cromatografía de intercambio iónico: Separa las proteínas según su carga. La cromatografía de intercambio catiónico se utiliza para unir proteínas con carga positiva, mientras que la cromatografía de intercambio aniónico se utiliza para unir proteínas con carga negativa.
Cromatografía de exclusión por tamaño: Separa las proteínas según su tamaño. Las proteínas más grandes eluyen primero, mientras que las más pequeñas eluyen después.
Cromatografía de interacción hidrofóbica: Separa las proteínas según su hidrofobicidad. Las proteínas hidrofóbicas se unen a la columna en altas concentraciones de sal y se eluyen con concentraciones de sal decrecientes.

Ultrafiltración/Diafiltración:

La ultrafiltración y la diafiltración se utilizan para concentrar la solución de proteína y eliminar sales y otras moléculas pequeñas. La ultrafiltración utiliza una membrana para separar moléculas según su tamaño, mientras que la diafiltración utiliza una membrana para eliminar moléculas pequeñas añadiendo un tampón. Este paso es crucial para preparar la proteína para la formulación.

Eliminación viral:

La eliminación viral es una consideración de seguridad crítica para los biofármacos. El procesamiento descendente debe incluir pasos para eliminar o inactivar cualquier virus que pueda estar presente en el cultivo celular. Esto se puede lograr mediante filtración, cromatografía o inactivación por calor.

4. Formulación y llenado-acabado: Preparación del producto farmacéutico final

La formulación implica preparar la proteína purificada en una forma estable y adecuada para su administración a los pacientes. La formulación debe proteger la proteína de la degradación, mantener su actividad y garantizar su seguridad.

Consideraciones clave en el desarrollo de la formulación:

Estabilidad de la proteína: Las proteínas son susceptibles a la degradación por diversos factores, como la temperatura, el pH, la oxidación y la agregación. La formulación debe proteger la proteína de estos factores.
Solubilidad: La proteína debe ser soluble en la formulación para permitir una fácil administración.
Viscosidad: La viscosidad de la formulación debe ser lo suficientemente baja para permitir una inyección fácil.
Tonicidad: La tonicidad de la formulación debe ser compatible con los fluidos corporales para evitar dolor o irritación al inyectar.
Esterilidad: La formulación debe ser estéril para prevenir infecciones.

Excipientes comunes utilizados en formulaciones proteicas:

Tampones (Buffers): Mantienen el pH de la formulación. Ejemplos incluyen tampones de fosfato, citrato y Tris.
Estabilizantes: Protegen la proteína de la degradación. Ejemplos incluyen azúcares (p. ej., sacarosa, trehalosa), aminoácidos (p. ej., glicina, arginina) y tensioactivos (p. ej., polisorbato 80, polisorbato 20).
Modificadores de la tonicidad: Ajustan la tonicidad de la formulación. Ejemplos incluyen cloruro de sodio y manitol.
Conservantes: Previenen el crecimiento microbiano. Ejemplos incluyen alcohol bencílico y fenol. (Nota: Los conservantes a menudo se evitan en formulaciones de dosis única).

Llenado y acabado:

El llenado y acabado implica el llenado aséptico del fármaco proteico formulado en viales o jeringas. Este es un paso crítico que debe realizarse en condiciones estrictamente estériles para prevenir la contaminación. Los viales o jeringas llenos se etiquetan, empaquetan y almacenan en las condiciones adecuadas.

5. Control de calidad y análisis: Garantizando la seguridad y eficacia del producto

El control de calidad (CC) es una parte esencial de la producción de fármacos proteicos. Implica una serie de pruebas y ensayos para garantizar que el producto farmacéutico cumpla con las especificaciones predefinidas de seguridad, eficacia y consistencia. Las pruebas de CC se realizan en varias etapas del proceso de producción, desde el desarrollo de la línea celular hasta la liberación del producto final.

Pruebas clave de control de calidad:

Pruebas de identidad: Confirman que el producto farmacéutico es la proteína correcta. Esto se puede lograr utilizando varios métodos, como el mapeo de péptidos y la espectrometría de masas.
Pruebas de pureza: Determinan la cantidad de impurezas en el producto farmacéutico. Esto se puede lograr utilizando diversas técnicas cromatográficas, como HPLC y SDS-PAGE.
Pruebas de potencia: Miden la actividad biológica del producto farmacéutico. Esto se puede lograr mediante ensayos basados en células o ensayos de unión.
Pruebas de esterilidad: Confirman que el producto farmacéutico está libre de contaminación microbiana.
Pruebas de endotoxinas: Miden la cantidad de endotoxinas en el producto farmacéutico. Las endotoxinas son toxinas bacterianas que pueden causar fiebre e inflamación.
Pruebas de pirógenos: Detectan la presencia de pirógenos, sustancias que pueden causar fiebre.
Pruebas de estabilidad: Evalúan la estabilidad del producto farmacéutico a lo largo del tiempo en diversas condiciones de almacenamiento.

Técnicas analíticas utilizadas en el control de calidad de biofármacos:

Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC): Se utiliza para separar y cuantificar diferentes componentes en una mezcla.
Espectrometría de masas (MS): Se utiliza para identificar y cuantificar proteínas y otras moléculas.
Electroforesis (SDS-PAGE, electroforesis capilar): Se utiliza para separar proteínas según su tamaño y carga.
Ensayo por inmunoabsorción ligado a enzimas (ELISA): Se utiliza para detectar y cuantificar proteínas específicas.
Ensayos basados en células: Se utilizan para medir la actividad biológica de las proteínas.
Interferometría de biocapa (BLI): Se utiliza para medir las interacciones proteína-proteína.
Resonancia de plasmones superficiales (SPR): También se utiliza para medir las interacciones proteína-proteína y la cinética de unión.

Consideraciones regulatorias

La producción de biofármacos está altamente regulada por agencias reguladoras de todo el mundo, como la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA), la Agencia Europea de Medicamentos (EMA) y la Organización Mundial de la Salud (OMS). Estas agencias establecen estándares para los procesos de fabricación, el control de calidad y los ensayos clínicos para garantizar la seguridad y eficacia de los productos biofarmacéuticos. Las directrices regulatorias clave incluyen las Buenas Prácticas de Fabricación (GMP), que describen los requisitos para las instalaciones, el equipo y el personal de fabricación.

Biosimilares: un mercado en crecimiento

Los biosimilares son productos biofarmacéuticos que son altamente similares a un producto de referencia ya aprobado. No son copias exactas del producto de referencia debido a la complejidad inherente de las moléculas biológicas y los procesos de fabricación. Sin embargo, los biosimilares deben demostrar que son altamente similares al producto de referencia en términos de seguridad, eficacia y calidad. El desarrollo y la aprobación de biosimilares ofrecen el potencial de reducir los costos de atención médica y aumentar el acceso de los pacientes a medicamentos importantes. Los países de todo el mundo tienen diferentes vías regulatorias para la aprobación de biosimilares, pero el principio subyacente es garantizar la comparabilidad con el producto biológico original.

Tendencias futuras en la producción de fármacos proteicos

El campo de la producción de fármacos proteicos está en constante evolución, con nuevas tecnologías y enfoques que surgen para mejorar la eficiencia, reducir los costos y mejorar la calidad del producto. Algunas de las tendencias clave que dan forma al futuro de la producción de fármacos proteicos incluyen:

Fabricación continua: Alejarse del procesamiento por lotes hacia la fabricación continua, que ofrece una mayor eficiencia, costos reducidos y una mejor calidad del producto.
Tecnología analítica de procesos (PAT): Uso de la monitorización y el control de procesos en tiempo real para optimizar los procesos de fabricación y garantizar una calidad de producto consistente.
Tecnologías de un solo uso: Uso de equipos desechables para reducir el riesgo de contaminación y eliminar la necesidad de limpieza y esterilización.
Cribado de alto rendimiento (High-Throughput Screening): Uso de sistemas automatizados para analizar un gran número de líneas celulares y condiciones de proceso para identificar las condiciones óptimas para la producción de proteínas.
Análisis avanzado: Desarrollo de técnicas analíticas más sofisticadas para caracterizar la compleja estructura y función de los fármacos proteicos.
Medicina personalizada: Adaptación de las terapias con fármacos proteicos a pacientes individuales en función de su composición genética y otros factores. Esto incluye el desarrollo de diagnósticos de acompañamiento para identificar a los pacientes que tienen más probabilidades de beneficiarse de una terapia en particular.
IA y aprendizaje automático: Uso de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático para optimizar el diseño, la producción y la formulación de fármacos proteicos. Esto incluye predecir la estructura y función de las proteínas, optimizar las condiciones de cultivo celular y desarrollar formulaciones más estables y eficaces.

Conclusión

La producción de fármacos proteicos es un proceso complejo y desafiante que requiere un enfoque multidisciplinario. Desde el desarrollo de la línea celular hasta la formulación del producto final y el control de calidad, cada paso debe controlarse cuidadosamente para garantizar la seguridad, la eficacia y la consistencia del producto farmacéutico. A medida que la tecnología continúa avanzando, el campo de la producción de fármacos proteicos está preparado para una mayor innovación, lo que conducirá al desarrollo de terapias nuevas y mejoradas para una amplia gama de enfermedades. La creciente demanda mundial de biofármacos necesita una mejora continua en los procesos de fabricación para satisfacer las necesidades de los pacientes en todo el mundo. El desarrollo de biosimilares también ofrece oportunidades para ampliar el acceso a estos medicamentos que salvan vidas.