ביופרמצבטיקה: המדריך המקיף לייצור תרופות חלבוניות

תרופות ביופרמצבטיות, הידועות גם כתכשירים ביולוגיים, מייצגות פלח הגדל במהירות בתעשיית התרופות. בניגוד לתרופות קונבנציונליות מבוססות מולקולות קטנות המסונתזות כימית, תרופות ביופרמצבטיות הן מולקולות גדולות ומורכבות המיוצרות באמצעות תאים חיים או אורגניזמים. תרופות חלבוניות, תת-קבוצה משמעותית של תרופות ביופרמצבטיות, מציעות טיפולים ממוקדים למגוון רחב של מחלות, כולל סרטן, הפרעות אוטואימוניות ומחלות זיהומיות. מדריך זה מספק סקירה מקיפה של ייצור תרופות חלבוניות, ומכסה היבטים מרכזיים מפיתוח שורות תאים ועד לפורמולציה הסופית של המוצר ובקרת איכות.

מהן תרופות חלבוניות?

תרופות חלבוניות הן חלבונים תרפויטיים שנועדו לטפל במחלות או למנוע אותן. הן כוללות מגוון רחב של מולקולות כגון:

נוגדנים חד-שבטיים (mAbs): נוגדנים ספציפיים ביותר המכוונים לאנטיגנים מסוימים, המשמשים לעתים קרובות באימונותרפיה של סרטן ובטיפול במחלות אוטואימוניות. דוגמאות כוללות אדלימומאב (Humira®) וטרסטוזומאב (Herceptin®).
חלבונים רקומביננטיים: חלבונים המיוצרים באמצעות טכנולוגיית DNA רקומביננטי, המאפשרת ייצור בקנה מידה גדול של חלבונים תרפויטיים. אינסולין (Humulin®) הוא דוגמה קלאסית.
אנזימים: חלבונים המזרזים תגובות ביוכימיות, המשמשים לטיפול בחסרים אנזימטיים או בהפרעות מטבוליות אחרות. דוגמאות כוללות אימיגלוצראז (Cerezyme®) למחלת גושה.
חלבוני איחוי (Fusion proteins): חלבונים הנוצרים על ידי חיבור של שני חלבונים או יותר, המשמשים לעתים קרובות להגברת היעילות הטיפולית או למיקוד תאים ספציפיים. אטנרספט (Enbrel®) הוא חלבון איחוי המשמש לטיפול בדלקת מפרקים שגרונית.
ציטוקינים וגורמי גדילה: חלבונים המווסתים גדילה והתמיינות של תאים, המשמשים לעידוד המערכת החיסונית או לקידום תיקון רקמות. אינטרפרון אלפא (Roferon-A®) ואריתרופויאטין (Epogen®) הן דוגמאות.

תהליך ייצור תרופות חלבוניות: סקירה כללית

הייצור של תרופות חלבוניות הוא תהליך מורכב ורב-שלבי הדורש בקרות מחמירות וביצוע קפדני. ניתן לחלק את זרימת העבודה הכללית לשלבים הבאים:

פיתוח שורת תאים: בחירה והנדסה של תאים לייצור יעיל של החלבון הרצוי.
תהליכי ייצור ראשוני (Upstream Processing): גידול התאים בביוריאקטורים כדי למקסם את ביטוי החלבון.
תהליכי ייצור סופי (Downstream Processing): בידוד וטיהור החלבון מתרבית התאים.
פורמולציה ומילוי-סיום (Formulation and Fill-Finish): הכנת המוצר התרופתי הסופי בפורמולציה מתאימה למתן.
בקרת איכות ואנליטיקה: הבטחת הבטיחות, היעילות והעקביות של המוצר התרופתי.

1. פיתוח שורת תאים: היסוד לייצור חלבונים

שורת התאים המשמשת לייצור חלבון היא גורם מכריע באיכות ובתפוקה של המוצר הסופי. שורות תאים ממקור יונקי, כגון תאי שחלת אוגר סיני (CHO), נמצאות בשימוש נרחב בשל יכולתן לבצע מודיפיקציות פוסט-טרנסלציוניות מורכבות (למשל, גליקוזילציה) החיוניות לעתים קרובות לתפקוד החלבון ולאימונוגניות שלו. שורות תאים אחרות, כולל תאי כליה עוברית אנושית (HEK) 293 ותאי חרקים (למשל, Sf9), משמשות גם הן, בהתאם לחלבון הספציפי ולדרישותיו.

שיקולים מרכזיים בפיתוח שורת תאים:

רמות ביטוי חלבון: בחירת תאים המייצרים כמויות גבוהות של חלבון המטרה היא חיונית לייצור יעיל. הדבר כרוך לעתים קרובות בהנדסה גנטית לאופטימיזציה של ביטוי גנים.
איכות החלבון: שורת התאים צריכה לייצר חלבון בעל הקיפול, הגליקוזילציה והמודיפיקציות הפוסט-טרנסלציוניות הנכונות כדי להבטיח תפקוד תקין ולמזער אימונוגניות.
יציבות התא: שורת התאים צריכה להיות יציבה גנטית כדי להבטיח ייצור חלבון עקבי לאורך דורות מרובים.
יכולת הגדלה (Scalability): שורת התאים צריכה להיות מתאימה לגידול בקנה מידה גדול בביוריאקטורים.
עמידה בדרישות רגולטוריות: שורת התאים חייבת לעמוד בדרישות רגולטוריות לבטיחות ואיכות.

דוגמה: פיתוח שורת תאי CHO

תאי CHO מהונדסים בדרך כלל לביטוי חלבונים רקומביננטיים באמצעות טכניקות שונות, כולל:

טרנספקציה: החדרת הגן המקודד לחלבון המטרה לתאי ה-CHO.
סלקציה: בחירת תאים שהטמיעו בהצלחה את הגן ומבטאים את החלבון. הדבר כרוך לעתים קרובות בשימוש בסמני סלקציה (למשל, גנים לעמידות לאנטיביוטיקה).
שיבוט (Cloning): בידוד תאים בודדים וגידולם לשורות תאים קלונליות. הדבר מבטיח שכל התאים באוכלוסייה זהים גנטית.
אופטימיזציה: אופטימיזציה של תנאי תרבית התאים (למשל, הרכב המדיום, טמפרטורה, pH) כדי למקסם את ביטוי ואיכות החלבון.

2. תהליכי ייצור ראשוני: גידול תאים לייצור חלבונים

תהליך הייצור הראשוני (Upstream) כולל גידול של שורת התאים שנבחרה בביוריאקטורים לייצור חלבון המטרה. הביוריאקטור מספק סביבה מבוקרת עם תנאים אופטימליים לגדילת תאים וביטוי חלבון. פרמטרים מרכזיים שיש לבקר בקפידה כוללים טמפרטורה, pH, חמצן מומס ואספקת חומרי מזון.

סוגי ביוריאקטורים:

ביוריאקטורים מנתיים (Batch Bioreactors): מערכת סגורה שבה כל חומרי המזון מוספים בתחילת התרבית. זוהי שיטה פשוטה וזולה, אך ייצור החלבון מוגבל על ידי דלדול חומרי המזון והצטברות תוצרי פסולת.
ביוריאקטורים מנתיים-מוזנים (Fed-Batch Bioreactors): חומרי מזון מוספים מעת לעת במהלך התרבית כדי לשמור על גדילת תאים אופטימלית וביטוי חלבון. שיטה זו מאפשרת צפיפות תאים ותפוקות חלבון גבוהות יותר בהשוואה לתרביות מנתיות.
ביוריאקטורים רציפים (פרפוזיה): חומרי מזון מוספים באופן רציף ותוצרי פסולת מוסרים באופן רציף. הדבר מספק סביבה יציבה לגדילת תאים וביטוי חלבון, ומביא לצפיפות תאים ותפוקות חלבון גבוהות עוד יותר. מערכות פרפוזיה משמשות לעתים קרובות לייצור בקנה מידה גדול.

אופטימיזציה של המדיום:

מדיום תרבית התאים מספק את חומרי המזון וגורמי הגדילה הדרושים לגדילת תאים וייצור חלבון. הרכב המדיום האופטימלי תלוי בשורת התאים ובחלבון המטרה. אופטימיזציית המדיום כוללת התאמת ריכוזים של רכיבים שונים, כגון:

חומצות אמינו: אבני הבניין של חלבונים.
ויטמינים: חיוניים למטבוליזם התא.
גורמי גדילה: מעודדים גדילה והתמיינות של תאים.
מלחים ומינרלים: שומרים על מאזן אוסמוטי ומספקים יונים חיוניים.
סוכרים: מספקים אנרגיה למטבוליזם התא.

ניטור ובקרת תהליך:

במהלך התהליך הראשוני, חיוני לנטר ולבקר פרמטרים מרכזיים של התהליך כדי להבטיח גדילת תאים וביטוי חלבון אופטימליים. הדבר כרוך בשימוש בחיישנים למדידת פרמטרים כמו טמפרטורה, pH, חמצן מומס, צפיפות תאים וריכוז חלבון. מערכות בקרה משמשות להתאמה אוטומטית של פרמטרים אלו כדי לשמור עליהם בטווח הרצוי.

3. תהליכי ייצור סופי: בידוד וטיהור החלבון

תהליך הייצור הסופי (Downstream) כולל בידוד וטיהור של חלבון המטרה מתרבית התאים. זהו שלב קריטי בתהליך ייצור תרופות חלבוניות, מכיוון שהוא מסיר זיהומים העלולים להשפיע על הבטיחות והיעילות של המוצר הסופי. התהליך הסופי כולל בדרך כלל סדרה של שלבים, ביניהם:

שיבוש תאים (Cell Disruption):

אם החלבון ממוקם בתוך התאים, יש לשבש את התאים כדי לשחרר את החלבון. ניתן להשיג זאת בשיטות שונות, כגון:

שיבוש מכני: שימוש בהומוגניזציה בלחץ גבוה או בסוניקציה כדי לפתוח את התאים.
שיבוש כימי: שימוש בדטרגנטים או בממיסים אורגניים להמסת ממברנות התא.
שיבוש אנזימטי: שימוש באנזימים לפירוק דפנות התא.

הצללה (Clarification):

לאחר שיבוש התאים, יש להסיר את שברי התאים כדי להצליל את תמיסת החלבון. הדבר מושג בדרך כלל באמצעות צנטריפוגציה או סינון.

טיהור חלבון:

לאחר מכן החלבון מטוהר באמצעות מגוון טכניקות כרומטוגרפיות, כגון:

כרומטוגרפיית אפיניות: משתמשת בליגנד הנקשר באופן ספציפי לחלבון המטרה. זוהי טכניקה סלקטיבית ביותר שיכולה להשיג טוהר גבוה בשלב אחד. לדוגמה, נוגדנים או חלבונים מתויגים (למשל, חלבונים מתויגי-His) מטוהרים לעתים קרובות באמצעות כרומטוגרפיית אפיניות.
כרומטוגרפיית יונים: מפרידה חלבונים על בסיס מטענם. כרומטוגרפיית קטיונים משמשת לקשירת חלבונים טעונים חיובית, בעוד שכרומטוגרפיית אניונים משמשת לקשירת חלבונים טעונים שלילית.
כרומטוגרפיית גודל (Size Exclusion): מפרידה חלבונים על בסיס גודלם. חלבונים גדולים יותר יוצאים ראשונים, בעוד שחלבונים קטנים יותר יוצאים מאוחר יותר.
כרומטוגרפיית אינטראקציה הידרופובית: מפרידה חלבונים על בסיס ההידרופוביות שלהם. חלבונים הידרופוביים נקשרים לעמודה בריכוזי מלח גבוהים ומשוחררים עם ריכוזי מלח יורדים.

אולטרה-פילטרציה/דיא-פילטרציה:

אולטרה-פילטרציה ודיא-פילטרציה משמשות לריכוז תמיסת החלבון ולהסרת מלחים ומולקולות קטנות אחרות. אולטרה-פילטרציה משתמשת בממברנה להפרדת מולקולות על בסיס גודלן, בעוד שדיא-פילטרציה משתמשת בממברנה להסרת מולקולות קטנות על ידי הוספת בופר. שלב זה חיוני להכנת החלבון לפורמולציה.

סילוק וירוסים:

סילוק וירוסים הוא שיקול בטיחותי קריטי עבור תרופות ביופרמצבטיות. תהליך הייצור הסופי חייב לכלול שלבים להסרה או אינאקטיבציה של כל וירוס שעלול להיות נוכח בתרבית התאים. ניתן להשיג זאת באמצעות סינון, כרומטוגרפיה או אינאקטיבציה בחום.

4. פורמולציה ומילוי-סיום: הכנת המוצר התרופתי הסופי

פורמולציה כוללת הכנת החלבון המטוהר בצורה יציבה ומתאימה למתן למטופלים. הפורמולציה חייבת להגן על החלבון מפני פירוק, לשמור על פעילותו ולהבטיח את בטיחותו.

שיקולים מרכזיים בפיתוח פורמולציה:

יציבות החלבון: חלבונים רגישים לפירוק על ידי גורמים שונים, כגון טמפרטורה, pH, חמצון ואגרגציה. הפורמולציה חייבת להגן על החלבון מפני גורמים אלו.
מסיסות: החלבון חייב להיות מסיס בפורמולציה כדי לאפשר מתן קל.
צמיגות: צמיגות הפורמולציה חייבת להיות נמוכה מספיק כדי לאפשר הזרקה קלה.
טוניות: הטוניות של הפורמולציה חייבת להיות תואמת לנוזלי הגוף כדי למנוע כאב או גירוי בעת ההזרקה.
סטריליות: הפורמולציה חייבת להיות סטרילית כדי למנוע זיהום.

תוספים נפוצים המשמשים בפורמולציות חלבונים:

בופרים: שומרים על ה-pH של הפורמולציה. דוגמאות כוללות בופרי פוספט, בופרי ציטראט ובופרי טריס.
מייצבים: מגנים על החלבון מפני פירוק. דוגמאות כוללות סוכרים (למשל, סוכרוז, טרהלוז), חומצות אמינו (למשל, גליצין, ארגינין), ופעילי שטח (למשל, פוליסורבט 80, פוליסורבט 20).
מווסתי טוניות: מתאימים את הטוניות של הפורמולציה. דוגמאות כוללות נתרן כלורי ומניטול.
חומרים משמרים: מונעים צמיחת מיקרואורגניזמים. דוגמאות כוללות בנזיל אלכוהול ופנול. (הערה: לעתים קרובות נמנעים משימוש בחומרים משמרים בפורמולציות למנה בודדת).

מילוי-סיום (Fill-Finish):

מילוי-סיום כולל מילוי אספטי של תרופת החלבון המנוסחת בבקבוקונים או מזרקים. זהו שלב קריטי שיש לבצע בתנאים סטריליים קפדניים למניעת זיהום. הבקבוקונים או המזרקים הממולאים מסומנים, נארזים ומאוחסנים בתנאים מתאימים.

5. בקרת איכות ואנליטיקה: הבטחת בטיחות ויעילות המוצר

בקרת איכות (QC) היא חלק חיוני בייצור תרופות חלבוניות. היא כוללת סדרה של בדיקות ומבחנים כדי להבטיח שהמוצר התרופתי עומד במפרטים שנקבעו מראש לבטיחות, יעילות ועקביות. בדיקות QC מבוצעות בשלבים שונים של תהליך הייצור, מפיתוח שורת תאים ועד לשחרור המוצר הסופי.

בדיקות בקרת איכות מרכזיות:

בדיקת זהות: מאשרת שהמוצר התרופתי הוא החלבון הנכון. ניתן להשיג זאת בשיטות שונות, כגון מיפוי פפטידים וספקטרומטריית מסה.
בדיקת טוהר: קובעת את כמות הזיהומים במוצר התרופתי. ניתן להשיג זאת בטכניקות כרומטוגרפיות שונות, כגון HPLC ו-SDS-PAGE.
בדיקת עוצמה (Potency): מודדת את הפעילות הביולוגית של המוצר התרופתי. ניתן להשיג זאת באמצעות מבחנים מבוססי תאים או מבחני קשירה.
בדיקת סטריליות: מאשרת שהמוצר התרופתי נקי מזיהום מיקרוביאלי.
בדיקת אנדוטוקסין: מודדת את כמות האנדוטוקסינים במוצר התרופתי. אנדוטוקסינים הם רעלנים חיידקיים העלולים לגרום לחום ודלקת.
בדיקת פירוגנים: מזהה נוכחות של פירוגנים, חומרים העלולים לגרום לחום.
בדיקת יציבות: מעריכה את יציבות המוצר התרופתי לאורך זמן בתנאי אחסון שונים.

טכניקות אנליטיות המשמשות בבקרת איכות ביופרמצבטית:

כרומטוגרפיית נוזל בביצועים גבוהים (HPLC): משמשת להפרדה וכימות של רכיבים שונים בתערובת.
ספקטרומטריית מסה (MS): משמשת לזיהוי וכימות חלבונים ומולקולות אחרות.
אלקטרופורזה (SDS-PAGE, אלקטרופורזה קפילרית): משמשת להפרדת חלבונים על בסיס גודלם ומטענם.
מבחן אימונוסורבנטי מקושר-אנזים (ELISA): משמש לזיהוי וכימות של חלבונים ספציפיים.
מבחנים מבוססי תאים: משמשים למדידת הפעילות הביולוגית של חלבונים.
אינטרפרומטריית שכבה ביולוגית (BLI): משמשת למדידת אינטראקציות חלבון-חלבון.
תהודה פלסמונית שטחית (SPR): משמשת גם למדידת אינטראקציות חלבון-חלבון וקינטיקת קשירה.

שיקולים רגולטוריים

ייצור תרופות ביופרמצבטיות מפוקח באופן הדוק על ידי סוכנויות רגולטוריות ברחבי העולם, כגון מנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA), סוכנות התרופות האירופית (EMA), וארגון הבריאות העולמי (WHO). סוכנויות אלו קובעות סטנדרטים לתהליכי ייצור, בקרת איכות וניסויים קליניים כדי להבטיח את הבטיחות והיעילות של מוצרים ביופרמצבטיים. הנחיות רגולטוריות מרכזיות כוללות תנאי ייצור נאותים (GMP), המתווים את הדרישות למתקני ייצור, ציוד וכוח אדם.

ביוסימילארים: שוק צומח

ביוסימילארים הם מוצרים ביופרמצבטיים הדומים מאוד למוצר ייחוס (reference product) שכבר אושר. הם אינם העתקים מדויקים של מוצר הייחוס בשל המורכבות הטבועה במולקולות ביולוגיות ובתהליכי ייצור. עם זאת, ביוסימילארים חייבים להוכיח שהם דומים מאוד למוצר הייחוס במונחים של בטיחות, יעילות ואיכות. פיתוח ואישור של ביוסימילארים מציעים פוטנציאל להפחתת עלויות שירותי הבריאות ולהגברת הגישה של מטופלים לתרופות חשובות. למדינות ברחבי העולם יש מסלולים רגולטוריים שונים לאישור ביוסימילארים, אך העיקרון הבסיסי הוא להבטיח דמיון למוצר הביולוגי המקורי.

מגמות עתידיות בייצור תרופות חלבוניות

תחום ייצור התרופות החלבוניות מתפתח ללא הרף, עם טכנולוגיות וגישות חדשות הצצות במטרה לשפר את היעילות, להפחית עלויות ולשפר את איכות המוצר. כמה מהמגמות המרכזיות המעצבות את עתיד ייצור התרופות החלבוניות כוללות:

ייצור רציף: מעבר מעיבוד מנתי לייצור רציף, המציע יעילות מוגברת, עלויות מופחתות ואיכות מוצר משופרת.
טכנולוגיית ניתוח תהליכים (PAT): שימוש בניטור ובקרת תהליכים בזמן אמת לאופטימיזציה של תהליכי ייצור והבטחת איכות מוצר עקבית.
טכנולוגיות חד-פעמיות: שימוש בציוד חד-פעמי להפחתת הסיכון לזיהום וביטול הצורך בניקוי ועיקור.
סקירה בתפוקה גבוהה (High-Throughput Screening): שימוש במערכות אוטומטיות לסקירת מספר רב של שורות תאים ותנאי תהליך כדי לזהות את התנאים האופטימליים לייצור חלבון.
אנליטיקה מתקדמת: פיתוח טכניקות אנליטיות מתוחכמות יותר לאפיון המבנה והתפקוד המורכבים של תרופות חלבוניות.
רפואה מותאמת אישית: התאמת טיפולים בתרופות חלבוניות למטופלים בודדים על בסיס הרכבם הגנטי וגורמים אחרים. הדבר כולל פיתוח אבחון נלווה (companion diagnostics) לזיהוי מטופלים שסביר ביותר שיפיקו תועלת מטיפול מסוים.
בינה מלאכותית ולמידת מכונה: שימוש בבינה מלאכותית ולמידת מכונה לאופטימיזציה של תכנון, ייצור ופורמולציה של תרופות חלבוניות. הדבר כולל חיזוי מבנה ותפקוד של חלבונים, אופטימיזציה של תנאי תרבית תאים, ופיתוח פורמולציות יציבות ויעילות יותר.

סיכום

ייצור תרופות חלבוניות הוא תהליך מורכב ומאתגר הדורש גישה רב-תחומית. מפיתוח שורת תאים ועד לפורמולציה הסופית של המוצר ובקרת איכות, כל שלב חייב להיות מבוקר בקפידה כדי להבטיח את הבטיחות, היעילות והעקביות של המוצר התרופתי. ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתקדם, תחום ייצור התרופות החלבוניות ערוך לחדשנות נוספת, שתוביל לפיתוח טיפולים חדשים ומשופרים למגוון רחב של מחלות. הביקוש העולמי הגובר לתרופות ביופרמצבטיות מחייב שיפור מתמיד בתהליכי הייצור כדי לענות על צרכי המטופלים ברחבי העולם. פיתוח ביוסימילארים מספק גם הזדמנויות להרחיב את הגישה לתרופות מצילות חיים אלו.