Dược phẩm sinh học: Hướng dẫn toàn diện về sản xuất thuốc protein

Dược phẩm sinh học, còn được gọi là thuốc sinh học, đại diện cho một phân khúc đang phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp dược phẩm. Không giống như các loại thuốc phân tử nhỏ truyền thống được tổng hợp hóa học, dược phẩm sinh học là các phân tử lớn, phức tạp được sản xuất bằng cách sử dụng tế bào hoặc sinh vật sống. Thuốc protein, một phân nhóm quan trọng của dược phẩm sinh học, cung cấp các liệu pháp nhắm mục tiêu cho một loạt các bệnh, bao gồm ung thư, rối loạn tự miễn và các bệnh truyền nhiễm. Hướng dẫn này cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về sản xuất thuốc protein, bao gồm các khía cạnh chính từ phát triển dòng tế bào đến bào chế sản phẩm cuối cùng và kiểm soát chất lượng.

Thuốc Protein là gì?

Thuốc protein là các protein trị liệu được thiết kế để điều trị hoặc phòng ngừa bệnh tật. Chúng bao gồm một loạt các phân tử đa dạng như:

Kháng thể đơn dòng (mAbs): Các kháng thể có độ đặc hiệu cao nhắm vào các kháng nguyên cụ thể, thường được sử dụng trong liệu pháp miễn dịch ung thư và điều trị bệnh tự miễn. Ví dụ bao gồm adalimumab (Humira®) và trastuzumab (Herceptin®).
Protein tái tổ hợp: Các protein được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp, cho phép sản xuất quy mô lớn các protein trị liệu. Insulin (Humulin®) là một ví dụ kinh điển.
Enzyme: Các protein xúc tác các phản ứng sinh hóa, được sử dụng để điều trị các bệnh thiếu hụt enzyme hoặc các rối loạn chuyển hóa khác. Ví dụ bao gồm imiglucerase (Cerezyme®) cho bệnh Gaucher.
Protein dung hợp: Các protein được tạo ra bằng cách nối hai hoặc nhiều protein lại với nhau, thường được sử dụng để tăng cường hiệu quả điều trị hoặc nhắm mục tiêu vào các tế bào cụ thể. Etanercept (Enbrel®) là một protein dung hợp được sử dụng để điều trị viêm khớp dạng thấp.
Cytokine và các yếu tố tăng trưởng: Các protein điều chỉnh sự phát triển và biệt hóa của tế bào, được sử dụng để kích thích hệ thống miễn dịch hoặc thúc đẩy sửa chữa mô. Interferon alpha (Roferon-A®) và erythropoietin (Epogen®) là những ví dụ.

Quy trình sản xuất thuốc Protein: Tổng quan

Quy trình sản xuất thuốc protein là một quá trình phức tạp, đa giai đoạn, đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ và thực hiện tỉ mỉ. Quy trình công việc chung có thể được chia thành các giai đoạn sau:

Phát triển dòng tế bào: Lựa chọn và thiết kế các tế bào để sản xuất hiệu quả protein mong muốn.
Quy trình ngược dòng (Upstream Processing): Nuôi cấy tế bào trong các lò phản ứng sinh học để tối đa hóa sự biểu hiện protein.
Quy trình xuôi dòng (Downstream Processing): Tách và tinh chế protein từ môi trường nuôi cấy tế bào.
Bào chế và Đóng gói (Formulation and Fill-Finish): Chuẩn bị sản phẩm thuốc cuối cùng trong một công thức bào chế phù hợp để sử dụng.
Kiểm soát chất lượng và Phân tích: Đảm bảo tính an toàn, hiệu quả và nhất quán của sản phẩm thuốc.

1. Phát triển dòng tế bào: Nền tảng của sản xuất Protein

Dòng tế bào được sử dụng để sản xuất protein là một yếu tố quyết định quan trọng đến chất lượng và năng suất của sản phẩm cuối cùng. Các dòng tế bào động vật có vú, chẳng hạn như tế bào buồng trứng chuột hamster Trung Quốc (CHO), được sử dụng rộng rãi do khả năng thực hiện các biến đổi sau dịch mã phức tạp (ví dụ: glycosyl hóa) thường cần thiết cho chức năng và tính sinh miễn dịch của protein. Các dòng tế bào khác, bao gồm tế bào thận phôi người (HEK) 293 và tế bào côn trùng (ví dụ: Sf9), cũng được sử dụng tùy thuộc vào protein cụ thể và các yêu cầu của nó.

Những cân nhắc chính trong phát triển dòng tế bào:

Mức độ biểu hiện Protein: Việc lựa chọn các tế bào sản xuất lượng lớn protein mục tiêu là rất quan trọng để sản xuất hiệu quả. Điều này thường liên quan đến kỹ thuật di truyền để tối ưu hóa sự biểu hiện gen.
Chất lượng Protein: Dòng tế bào phải sản xuất protein có cấu trúc gập đúng, glycosyl hóa và các biến đổi sau dịch mã khác để đảm bảo chức năng phù hợp và giảm thiểu tính sinh miễn dịch.
Sự ổn định của tế bào: Dòng tế bào phải ổn định về mặt di truyền để đảm bảo sản xuất protein nhất quán qua nhiều thế hệ.
Khả năng mở rộng quy mô: Dòng tế bào phải phù hợp để nuôi cấy quy mô lớn trong các lò phản ứng sinh học.
Tuân thủ quy định: Dòng tế bào phải đáp ứng các yêu cầu quy định về an toàn và chất lượng.

Ví dụ: Phát triển dòng tế bào CHO

Tế bào CHO thường được thiết kế để biểu hiện các protein tái tổ hợp bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm:

Tải nạp (Transfection): Đưa gen mã hóa protein mục tiêu vào tế bào CHO.
Chọn lọc: Chọn lọc các tế bào đã tích hợp thành công gen và đang biểu hiện protein. Điều này thường liên quan đến việc sử dụng các gen chỉ thị chọn lọc (ví dụ: gen kháng kháng sinh).
Tạo dòng (Cloning): Tách các tế bào đơn lẻ và nuôi chúng thành các dòng tế bào vô tính. Điều này đảm bảo rằng tất cả các tế bào trong quần thể đều giống hệt nhau về mặt di truyền.
Tối ưu hóa: Tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy tế bào (ví dụ: thành phần môi trường, nhiệt độ, pH) để tối đa hóa sự biểu hiện và chất lượng protein.

2. Quy trình ngược dòng: Nuôi cấy tế bào để sản xuất Protein

Quy trình ngược dòng bao gồm việc nuôi cấy dòng tế bào đã chọn trong các lò phản ứng sinh học để sản xuất protein mục tiêu. Lò phản ứng sinh học cung cấp một môi trường được kiểm soát với các điều kiện tối ưu cho sự phát triển của tế bào và biểu hiện protein. Các thông số chính cần được kiểm soát cẩn thận bao gồm nhiệt độ, pH, oxy hòa tan và cung cấp chất dinh dưỡng.

Các loại lò phản ứng sinh học:

Lò phản ứng sinh học theo mẻ (Batch Bioreactors): Một hệ thống kín trong đó tất cả các chất dinh dưỡng được thêm vào lúc bắt đầu nuôi cấy. Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền, nhưng việc sản xuất protein bị giới hạn bởi sự cạn kiệt chất dinh dưỡng và sự tích tụ các sản phẩm thải.
Lò phản ứng sinh học bán liên tục (Fed-Batch Bioreactors): Các chất dinh dưỡng được bổ sung định kỳ trong quá trình nuôi cấy để duy trì sự phát triển tối ưu của tế bào và biểu hiện protein. Điều này cho phép mật độ tế bào và năng suất protein cao hơn so với nuôi cấy theo mẻ.
Lò phản ứng sinh học liên tục (Perfusion): Các chất dinh dưỡng được bổ sung liên tục và các sản phẩm thải được loại bỏ liên tục. Điều này cung cấp một môi trường ổn định cho sự phát triển của tế bào và biểu hiện protein, dẫn đến mật độ tế bào và năng suất protein cao hơn nữa. Hệ thống tưới tràn thường được sử dụng cho sản xuất quy mô lớn.

Tối ưu hóa môi trường:

Môi trường nuôi cấy tế bào cung cấp các chất dinh dưỡng và yếu tố tăng trưởng cần thiết cho sự phát triển của tế bào và sản xuất protein. Thành phần môi trường tối ưu phụ thuộc vào dòng tế bào và protein mục tiêu. Tối ưu hóa môi trường bao gồm việc điều chỉnh nồng độ của các thành phần khác nhau, chẳng hạn như:

Axit amin: Các khối cấu tạo của protein.
Vitamin: Cần thiết cho quá trình trao đổi chất của tế bào.
Các yếu tố tăng trưởng: Kích thích sự phát triển và biệt hóa của tế bào.
Muối và khoáng chất: Duy trì cân bằng thẩm thấu và cung cấp các ion thiết yếu.
Đường: Cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất của tế bào.

Giám sát và kiểm soát quy trình:

Trong quá trình ngược dòng, điều cần thiết là phải giám sát và kiểm soát các thông số quy trình chính để đảm bảo sự phát triển tối ưu của tế bào và biểu hiện protein. Điều này bao gồm việc sử dụng các cảm biến để đo các thông số như nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, mật độ tế bào và nồng độ protein. Các hệ thống điều khiển được sử dụng để tự động điều chỉnh các thông số này để duy trì chúng trong phạm vi mong muốn.

3. Quy trình xuôi dòng: Tách và tinh chế Protein

Quy trình xuôi dòng bao gồm việc tách và tinh chế protein mục tiêu từ môi trường nuôi cấy tế bào. Đây là một bước quan trọng trong quy trình sản xuất thuốc protein, vì nó loại bỏ các tạp chất có thể ảnh hưởng đến sự an toàn và hiệu quả của sản phẩm cuối cùng. Quy trình xuôi dòng thường bao gồm một loạt các bước, bao gồm:

Phá vỡ tế bào:

Nếu protein nằm bên trong tế bào, các tế bào phải được phá vỡ để giải phóng protein. Điều này có thể đạt được bằng nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như:

Phá vỡ cơ học: Sử dụng phương pháp đồng nhất hóa áp suất cao hoặc siêu âm để phá vỡ tế bào.
Phá vỡ hóa học: Sử dụng chất tẩy rửa hoặc dung môi hữu cơ để hòa tan màng tế bào.
Phá vỡ bằng enzyme: Sử dụng enzyme để phân hủy thành tế bào.

Làm trong:

Sau khi phá vỡ tế bào, các mảnh vụn tế bào phải được loại bỏ để làm trong dung dịch protein. Điều này thường đạt được bằng cách ly tâm hoặc lọc.

Tinh chế Protein:

Protein sau đó được tinh chế bằng nhiều kỹ thuật sắc ký khác nhau, chẳng hạn như:

Sắc ký ái lực: Sử dụng một phối tử liên kết đặc hiệu với protein mục tiêu. Đây là một kỹ thuật có tính chọn lọc cao có thể đạt được độ tinh khiết cao trong một bước duy nhất. Ví dụ, các kháng thể hoặc protein được gắn thẻ (ví dụ: protein gắn thẻ His) thường được tinh chế bằng sắc ký ái lực.
Sắc ký trao đổi ion: Tách protein dựa trên điện tích của chúng. Sắc ký trao đổi cation được sử dụng để liên kết các protein tích điện dương, trong khi sắc ký trao đổi anion được sử dụng để liên kết các protein tích điện âm.
Sắc ký loại trừ theo kích thước: Tách protein dựa trên kích thước của chúng. Các protein lớn hơn sẽ được rửa giải trước, trong khi các protein nhỏ hơn sẽ được rửa giải sau.
Sắc ký tương tác kỵ nước: Tách protein dựa trên tính kỵ nước của chúng. Các protein kỵ nước liên kết với cột trong nồng độ muối cao và được rửa giải với nồng độ muối giảm dần.

Siêu lọc/Thẩm tách lọc:

Siêu lọc và thẩm tách lọc được sử dụng để cô đặc dung dịch protein và loại bỏ muối và các phân tử nhỏ khác. Siêu lọc sử dụng một màng để tách các phân tử dựa trên kích thước của chúng, trong khi thẩm tách lọc sử dụng một màng để loại bỏ các phân tử nhỏ bằng cách thêm dung dịch đệm. Bước này rất quan trọng để chuẩn bị protein cho quá trình bào chế.

Loại bỏ virus:

Loại bỏ virus là một yếu tố an toàn quan trọng đối với dược phẩm sinh học. Quy trình xuôi dòng phải bao gồm các bước để loại bỏ hoặc bất hoạt bất kỳ loại virus nào có thể có trong môi trường nuôi cấy tế bào. Điều này có thể đạt được bằng cách lọc, sắc ký hoặc bất hoạt bằng nhiệt.

4. Bào chế và Đóng gói: Chuẩn bị sản phẩm thuốc cuối cùng

Bào chế bao gồm việc chuẩn bị protein đã tinh chế ở dạng ổn định và phù hợp để đưa vào cơ thể bệnh nhân. Công thức bào chế phải bảo vệ protein khỏi sự phân hủy, duy trì hoạt tính của nó và đảm bảo tính an toàn.

Những cân nhắc chính trong phát triển công thức bào chế:

Sự ổn định của Protein: Protein dễ bị phân hủy bởi các yếu tố khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ, pH, quá trình oxy hóa và sự kết tụ. Công thức bào chế phải bảo vệ protein khỏi các yếu tố này.
Độ hòa tan: Protein phải hòa tan trong công thức bào chế để dễ dàng sử dụng.
Độ nhớt: Độ nhớt của công thức bào chế phải đủ thấp để dễ dàng tiêm.
Trương lực: Trương lực của công thức bào chế phải tương thích với dịch cơ thể để tránh đau hoặc kích ứng khi tiêm.
Vô trùng: Công thức bào chế phải vô trùng để ngăn ngừa nhiễm trùng.

Các tá dược phổ biến được sử dụng trong công thức bào chế Protein:

Hệ đệm: Duy trì độ pH của công thức bào chế. Ví dụ bao gồm đệm phosphat, đệm citrat và đệm Tris.
Chất ổn định: Bảo vệ protein khỏi sự phân hủy. Ví dụ bao gồm đường (ví dụ: sucrose, trehalose), axit amin (ví dụ: glycine, arginine) và chất hoạt động bề mặt (ví dụ: polysorbate 80, polysorbate 20).
Chất điều chỉnh trương lực: Điều chỉnh trương lực của công thức bào chế. Ví dụ bao gồm natri clorua và mannitol.
Chất bảo quản: Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật. Ví dụ bao gồm cồn benzyl và phenol. (Lưu ý: Chất bảo quản thường được tránh trong các công thức bào chế liều đơn).

Đóng gói:

Đóng gói bao gồm việc chiết rót vô trùng thuốc protein đã được bào chế vào lọ hoặc ống tiêm. Đây là một bước quan trọng phải được thực hiện trong điều kiện vô trùng nghiêm ngặt để ngăn ngừa nhiễm bẩn. Các lọ hoặc ống tiêm đã được chiết rót sau đó được dán nhãn, đóng gói và bảo quản trong điều kiện thích hợp.

5. Kiểm soát chất lượng và Phân tích: Đảm bảo An toàn và Hiệu quả của Sản phẩm

Kiểm soát chất lượng (QC) là một phần thiết yếu của quá trình sản xuất thuốc protein. Nó bao gồm một loạt các thử nghiệm và xét nghiệm để đảm bảo rằng sản phẩm thuốc đáp ứng các thông số kỹ thuật được xác định trước về độ an toàn, hiệu quả và tính nhất quán. Thử nghiệm QC được thực hiện ở các giai đoạn khác nhau của quy trình sản xuất, từ phát triển dòng tế bào đến phát hành sản phẩm cuối cùng.

Các thử nghiệm kiểm soát chất lượng chính:

Thử nghiệm định tính: Xác nhận rằng sản phẩm thuốc là protein chính xác. Điều này có thể đạt được bằng nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như lập bản đồ peptide và khối phổ.
Thử nghiệm độ tinh khiết: Xác định lượng tạp chất trong sản phẩm thuốc. Điều này có thể đạt được bằng các kỹ thuật sắc ký khác nhau, chẳng hạn như HPLC và SDS-PAGE.
Thử nghiệm hiệu lực: Đo lường hoạt tính sinh học của sản phẩm thuốc. Điều này có thể đạt được bằng các xét nghiệm dựa trên tế bào hoặc xét nghiệm liên kết.
Thử nghiệm vô trùng: Xác nhận rằng sản phẩm thuốc không bị nhiễm vi sinh vật.
Thử nghiệm nội độc tố: Đo lường lượng nội độc tố trong sản phẩm thuốc. Nội độc tố là độc tố của vi khuẩn có thể gây sốt và viêm.
Thử nghiệm chất gây sốt: Phát hiện sự hiện diện của chất gây sốt, những chất có thể gây sốt.
Thử nghiệm độ ổn định: Đánh giá độ ổn định của sản phẩm thuốc theo thời gian trong các điều kiện bảo quản khác nhau.

Các kỹ thuật phân tích được sử dụng trong QC dược phẩm sinh học:

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): Được sử dụng để tách và định lượng các thành phần khác nhau trong hỗn hợp.
Khối phổ (MS): Được sử dụng để xác định và định lượng protein và các phân tử khác.
Điện di (SDS-PAGE, Điện di mao quản): Được sử dụng để tách protein dựa trên kích thước và điện tích của chúng.
Xét nghiệm miễn dịch hấp phụ liên kết với enzyme (ELISA): Được sử dụng để phát hiện và định lượng các protein cụ thể.
Xét nghiệm dựa trên tế bào: Được sử dụng để đo hoạt tính sinh học của protein.
Giao thoa kế lớp sinh học (BLI): Được sử dụng để đo tương tác protein-protein.
Cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR): Cũng được sử dụng để đo tương tác protein-protein và động học liên kết.

Các quy định pháp lý

Việc sản xuất dược phẩm sinh học được quản lý chặt chẽ bởi các cơ quan quản lý trên toàn thế giới, chẳng hạn như Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), Cơ quan Dược phẩm Châu Âu (EMA) và Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Các cơ quan này đặt ra các tiêu chuẩn cho quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng và thử nghiệm lâm sàng để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của các sản phẩm dược phẩm sinh học. Các hướng dẫn quy định chính bao gồm Thực hành sản xuất tốt (GMP), trong đó nêu rõ các yêu cầu đối với cơ sở sản xuất, thiết bị và nhân sự.

Thuốc sinh học tương tự: Một thị trường đang phát triển

Thuốc sinh học tương tự (Biosimilars) là các sản phẩm dược phẩm sinh học rất giống với một sản phẩm tham chiếu đã được phê duyệt. Chúng không phải là bản sao chính xác của sản phẩm tham chiếu do sự phức tạp vốn có của các phân tử sinh học và quy trình sản xuất. Tuy nhiên, thuốc sinh học tương tự phải chứng minh rằng chúng rất giống với sản phẩm tham chiếu về độ an toàn, hiệu quả và chất lượng. Việc phát triển và phê duyệt thuốc sinh học tương tự mang lại tiềm năng giảm chi phí chăm sóc sức khỏe và tăng khả năng tiếp cận của bệnh nhân với các loại thuốc quan trọng. Các quốc gia trên toàn cầu có các lộ trình pháp lý khác nhau để phê duyệt thuốc sinh học tương tự, nhưng nguyên tắc cơ bản là đảm bảo khả năng so sánh với thuốc sinh học gốc.

Xu hướng tương lai trong sản xuất thuốc Protein

Lĩnh vực sản xuất thuốc protein không ngừng phát triển, với các công nghệ và phương pháp tiếp cận mới nổi lên để cải thiện hiệu quả, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm. Một số xu hướng chính định hình tương lai của sản xuất thuốc protein bao gồm:

Sản xuất liên tục: Chuyển từ quy trình sản xuất theo mẻ sang sản xuất liên tục, giúp tăng hiệu quả, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm.
Công nghệ phân tích quy trình (PAT): Sử dụng giám sát và kiểm soát quy trình thời gian thực để tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm nhất quán.
Công nghệ dùng một lần: Sử dụng thiết bị dùng một lần để giảm nguy cơ nhiễm bẩn và loại bỏ nhu cầu làm sạch và khử trùng.
Sàng lọc thông lượng cao: Sử dụng hệ thống tự động để sàng lọc số lượng lớn các dòng tế bào và điều kiện quy trình để xác định các điều kiện tối ưu cho sản xuất protein.
Phân tích nâng cao: Phát triển các kỹ thuật phân tích tinh vi hơn để mô tả đặc tính cấu trúc và chức năng phức tạp của thuốc protein.
Y học cá nhân hóa: Điều chỉnh các liệu pháp thuốc protein cho từng bệnh nhân dựa trên cấu trúc di truyền và các yếu tố khác của họ. Điều này bao gồm việc phát triển các phương pháp chẩn đoán đồng hành để xác định những bệnh nhân có nhiều khả năng được hưởng lợi nhất từ một liệu pháp cụ thể.
AI và Học máy: Sử dụng trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hóa thiết kế, sản xuất và bào chế thuốc protein. Điều này bao gồm dự đoán cấu trúc và chức năng của protein, tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy tế bào và phát triển các công thức bào chế ổn định và hiệu quả hơn.

Kết luận

Sản xuất thuốc protein là một quá trình phức tạp và đầy thách thức, đòi hỏi một phương pháp tiếp cận đa ngành. Từ phát triển dòng tế bào đến bào chế sản phẩm cuối cùng và kiểm soát chất lượng, mỗi bước phải được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo tính an toàn, hiệu quả và nhất quán của sản phẩm thuốc. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, lĩnh vực sản xuất thuốc protein sẵn sàng cho những đổi mới hơn nữa, dẫn đến việc phát triển các liệu pháp mới và cải tiến cho một loạt các bệnh. Nhu cầu toàn cầu ngày càng tăng đối với dược phẩm sinh học đòi hỏi phải liên tục cải tiến quy trình sản xuất để đáp ứng nhu cầu của bệnh nhân trên toàn thế giới. Việc phát triển thuốc sinh học tương tự cũng mang lại cơ hội mở rộng khả năng tiếp cận các loại thuốc cứu người này.