UF/DF-Skalierung-Down-Modellierung mit alternativen Bildschirmkanalkassetten

Was ist zu tun, wenn der bei der Prozesscharakterisierung festgelegte Designraum entweder breiter oder enger ist als die Betriebsparameterbereiche, die für die Herstellung von Chargen klinischer Phase-III-Studien verwendet werden?

Ⅰ. Problemanalyse

Rücksichtnahme:Die Frage betrifft die Repräsentativität eines Scale--Down-Modells für einen Ultrafiltrations-/Diafiltrationsprozess (UF/DF). Da eine C--Screen-Kanal-Ultrafiltrationskassette mit der erforderlichen Porengröße/MWCO nicht verfügbar ist, ist geplant, als Ersatz eine A--Screen-Kanal-Ultrafiltrationskassette zu verwenden. Die entscheidende Frage ist, ob die A-Bildschirmkassette als repräsentatives Scale-Down-Modell dienen kann.

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst verstehen, ob es Unterschiede zwischen Ultrafiltrationskassetten mit unterschiedlichen Siebkanaldesigns gibt und welche Auswirkungen diese Unterschiede auf den UF/DF-Prozess haben können.

1. Auswahl verschiedener Siebkanaltypen in Ultrafiltrationskassetten

 

Bezüglich des Wissens über verschiedene Siebkanaltypen in Ultrafiltrationskassetten finden Sie eine detaillierte Beschreibung in (Dokument 1: Ultrafiltration/Diafiltration Process Development of High Concentration/Viscosity Applications):

Derzeit bieten wir vier verschiedene Siebe an: (A, C, D und V) im Pellicon®-Kassettenformatbereich.

 

Ein Bildschirm: Ein dichtes Sieb, das für verdünnte Proteinlösungen oder Lösungen mit niedriger Viskosität verwendet wird. Das dichte Gewebe ist für hochkonzentrierte Proteinlösungen nicht geeignet, da der Druckabfall bei höheren Viskositäten unzulässig hoch ist. Allerdings bietet dieses Sieb typischerweise eine überlegene Flussmittelleistung.

 

C-Bildschirm:Ein grobes Sieb, das für Produktströme mit einer Viskosität von bis zu 15 cP verwendet wird. Das C-Sieb bietet eine gute Flussmittelleistung, aber der Druckabfall liegt über der Einsatzgrenze, wenn die Viskosität steigt.

 

V-Bildschirm: Ein hängender C-Bildschirm. Das V-Sieb führt zu geringeren Druckverlusten als das C-Sieb, aber die Flussleistung ist im Vergleich zum C-Sieb viel geringer.

 

D-Bildschirm: Dieses neue Sieb hat eine gröbere Maschenweite und ein verändertes Gewebe im Vergleich zum Standard-C-Sieb. Es wurde entwickelt, um einen geringeren Druckabfall ohne die großen Leistungseinbußen bei der Flussmittelleistung zu bieten, die bei der Verwendung einer Hängesiebtechnologie auftreten.

 

Basierend auf der obigen Beschreibung verschiedener Bildschirmtypen und öffentlich zugänglichen Informationen können die Eigenschaften verschiedener Bildschirmkanäle wie folgt zusammengefasst werden:

 

2. Einfluss verschiedener Bildschirmkanaltypen auf UF/DF-Prozesse

Basierend auf den obigen Beschreibungen kann vernünftigerweise gefolgert werden, dass verschiedene Arten von Siebkanälen sich direkt auf die Leistung des UF/DF-Prozesses auswirken:

 

Fluiddynamik und Scherkraft:
 

Denn die Siebstruktur (Maschenstruktur) bestimmt das Strömungsmuster der Flüssigkeit über die Membranoberfläche sowie den Grad der Turbulenz und die daraus resultierenden erzeugten Scherkräfte.

 

Stoffübertragungseffizienz:
 

Die Art des Siebs beeinflusst die Konzentrationspolarisierung und die Kontrolle der Membranverschmutzung.

 

Prozessleistung:
 

Wie zum Beispiel Endfluss, Retentionsrate und Produktqualität (z. B. durch Scherung verursachte Aggregation).

 

(Referenz 2: „Auswirkung der Kanal-induzierten Scherung auf Biologika während der Ultrafiltrations-Diafiltration (UF/DF), 2016“)demonstriert den Einfluss von Scherkräften, die durch unterschiedliche Siebkanaldesigns hervorgerufen werden, auf die Qualität biopharmazeutischer Produkte wie monoklonaler Antikörper und Fusionsproteine.

In dieser Studie wurden unter standardisierten Produktionsbedingungen mit festem Zufuhrfluss (300 LMH) und Transmembrandruck (1,4 bar) Membranmodule von drei Herstellern -MilliporeSigma, Pall und NovaSep- bewertet, einschließlich mittlerer Sieb-, leichter{4}Suspensionssieb- und offener{5}Kanalkonfiguration. Als Testproben wurden vier repräsentative Biologika verwendet, darunter scher{7}empfindliches IgG4, scher{9}tolerantes IgG1 und Fusionsproteine. Analysemethoden wie SEC-, MFI-, DLS- und Vmax-Filtrierbarkeitstests wurden angewendet, um die hydraulische Leistung verschiedener Kanaldesigns und deren Auswirkungen auf die Produktqualität systematisch zu bewerten.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Kanalstruktur (Siebstruktur) direkt die Scherintensität und die Stoffübertragungseffizienz bestimmt. Der mittlere Siebkanal wies den höchsten Stoffübergangskoeffizienten auf; Allerdings waren sowohl die Wandschubspannung als auch die Gesamtschubspannung deutlich erhöht. Im Gegensatz dazu erzeugte die offene -Kanalkonfiguration (ohne Sieb) die geringste Scherspannung, litt jedoch unter einer extrem schlechten Stoffübertragungsleistung, was übermäßige Rezirkulationszyklen erforderte und zu einer geringen Prozesseffizienz führte. Der Siebkanal mit leichter Suspension (Pellicon D) zeigte die beste Gesamtleistung. Sein Stoffübergangskoeffizient war nur 22 % niedriger als der des mittleren Siebs, jedoch 260 % ​​höher als der des offenen -Kanaldesigns. Unterdessen war seine gesamte Scherspannung mit nur 1120 Pa die niedrigste aller Konfigurationen. Was die Produktqualität betrifft, zeigten scherempfindliche Proteine, die mit dem mittleren Sieb verarbeitet wurden, einen Anstieg der löslichen Aggregate um 78–186 % sowie einen deutlichen Anstieg der nicht sichtbaren Partikel. Der Vmax-Wert für die 0,2-μm-Sterilfiltration war sehr niedrig, was auf starke Membranverschmutzung und schlechte Filtrierbarkeit hinweist. Im Gegensatz dazu zeigten Proben, die mit dem Lichtsuspensions-Siebkanal verarbeitet wurden, nur eine 0–25 %ige Zunahme der Aggregation, deutlich reduzierte Partikelmengen und eine 3–18-fache Verbesserung der Filtrationsleistung. Hochkonzentrationsstudien bestätigten außerdem, dass der Lichtsuspensions-Siebkanal einen stabilen Transmembrandruck aufrechterhielt und leicht Konzentrationen über 200 g/L erreichen konnte. Im Vergleich dazu zeigte der mittlere Siebkanal bei hohen Konzentrationen einen starken Druckanstieg, was das Erreichen der Zielkonzentrationen erschwerte und zu einer Verschlechterung der Produktqualität führte.

 

(Referenz 3: „Ultrafiltrationsverhalten rekombinanter adeno-assoziierter viraler Vektoren, die in der Gentherapie verwendet werden“, 2021)verglichen die Auswirkungen von C-screen- und D-screen-Kanaldesigns auf den UF/DF-Prozess von AAV-Vektoren.

Die Ergebnisse zeigten, dass bei Verwendung des D--Bildschirms der kritische Transmembrandruck (TMP) niedriger war und der durchschnittliche Fluss um 14 % reduziert wurde.

Abb. 2C zeigt Fluss-gegen-TMP-Daten unter Verwendung der 30-kDa-Membran mit dem „D“-Bildschirm. Das D-Sieb oder das V-Sieb wären in dieser Arbeit nicht für die Ultrafiltration von Zulaufströmen mit niedriger Viskosität geeignet. Frühere Arbeiten unserer Gruppe nutzten diese untersuchten Kanäle für hochkonzentrierte monoklonale Antikörper und Fc--Fusionsproteine ​​[13,33]. Für AAV2 mit dem „D“-Bildschirmgerät wurde der kritische TMP bei einem niedrigeren TMP erreicht als bei dem in Abb. 2A gezeigten „C“-Bildschirmgerät. In Übereinstimmung mit den theoretischen Erwartungen war der Fluss mit dem „D“-Siebgerät bei Zufuhrdurchflussraten von Q=350 L/h/m2 und Q=500 L/h/m2 im Durchschnitt 14 % niedriger (p < 0,05) als mit dem „C“-Siebgerät, es gab jedoch keinen Unterschied zwischen dem „C“-Siebgerät (RC2A) und den „D“-Siebgeräten (RC2B) bei einer Zufuhrdurchflussrate von Q=120 L/h/m2 (p > 0,05) (Abb. 2C).

ⅡUmsetzungsempfehlungen:

Daraus kann geschlossen werden, dass der Bildschirmtyp ein entscheidender Faktor ist, der sich sowohl auf die Prozessleistung als auch auf die Produktqualität auswirkt und in Scale-Down-Modellen angemessen berücksichtigt werden muss. Wenn keine identische C--Screen-Membrankassette verfügbar ist, ist es dementsprechend als Antwort auf die Anfrage nicht angemessen, einfach einen direkten Austausch auf der Grundlage „gleicher Porengröße, aber unterschiedlichem Screen-Typ“ durchzuführen, beispielsweise durch den Austausch durch eine A--Screen-Membrankassette.

Eine direkte Substitution (d. h. die Verwendung gleicher Betriebsparameter) ist im Allgemeinen nicht repräsentativ, insbesondere in folgenden Fällen:

· Wenn das Produkt scher-empfindlich ist (z. B. monoklonale Antikörper, Fusionsproteine, virale Vektoren).

· Wenn eine genaue Vorhersage der Prozessleistung im großen Maßstab erforderlich ist, einschließlich Fluss, Filtrationszeit und Verschmutzungsverhalten.

· Wenn Prozesscharakterisierungsstudien durchgeführt werden, um den Designraum kritischer Prozessparameter (CPPs) wie Transmembrandruck (TMP) und Querströmungsgeschwindigkeit zu definieren.

Gibt es dann noch andere geeignete Alternativmöglichkeiten oder Umsetzungsmaßnahmen? Nach der Diskussion empfiehlt das Xingchen-Team den folgenden Ansatz:

 

1.Identifizieren Sie funktionell äquivalente alternative Membrankassetten

Dabei geht es darum, kleinformatige Membrankassetten anderer Anbieter zu identifizieren, die ähnliche hydrodynamische Eigenschaften, insbesondere Scherverhalten, aufweisen.

Es wird empfohlen, Lieferanten von Ultrafiltrationsmembrankassetten zu konsultieren und Produkte im Labormaßstab anzufordern, die auf ähnlichen Prinzipien basieren und eine Strömungsdynamik aufweisen, die mit der in der Produktion verwendeten C-Screen-Kanalkassette vergleichbar ist.

Schlüsselparameter der Kandidatenkassetten sollten mit der Ziel-C--Siebkassette verglichen werden, einschließlich Kanalhöhe (oder hydraulischer Durchmesser), Siebstruktur (z. B. Siebtyp), Membranmaterial und Porengröße, da diese Faktoren die in Ultrafiltrationskassetten erzeugten Scherkräfte bestimmen.

 

2.Verwenden Sie eine A--Siebkassette und gleichen Sie hydrodynamische Unterschiede durch Anpassen der Betriebsparameter aus

Theoretisch weist die A--Bildschirmkonfiguration typischerweise einen engeren Strömungskanal auf als der C--Bildschirm, was zu einer höheren Scherspannung führen kann. Daher sollte der Scherunterschied zwischen den beiden Systemen bei gleicher Zufuhrdurchflussrate durch Berechnung oder CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) geschätzt werden.

Die Zulaufdurchflussrate (Q) des kleinen A--Siebsystems sollte dann so angepasst werden, dass die an der Membranoberfläche erzeugte Scherspannung mit der Scherspannung übereinstimmt, die das große C--Siebsystem unter den angestrebten Betriebsströmungsbedingungen erzeugt.

Führen Sie unter den angepassten Scherbedingungen kleine -Experimente durch, um wichtige Leistungsindikatoren wie Fluss und Retentionsrate zu messen. Diese Ergebnisse sollten dann mit historischen Daten oder parallelen experimentellen Daten des großformatigen C--Bildschirmsystems verglichen werden, um dessen Vorhersagefähigkeit zu validieren.

 

3. Konzentrieren Sie sich auf bestimmte Aspekte und erstellen Sie ein Scale-Down-Modell mit reduzierter Repräsentativität

Wenn der Schwerpunkt der Prozesscharakterisierung nicht auf scher{0}empfindlichen Produkten liegt oder das primäre Ziel die Bewertung der Membranretentionseigenschaften statt der Hydrodynamik ist, können die Auswirkungen von Siebunterschieden relativ gering sein.

Daher muss im Rahmen Ihrer Studie nachgewiesen werden, dass der Bildschirmtyp keine kritische Quelle für Variabilität darstellt. Wenn das Hauptziel beispielsweise darin besteht, die Auswirkung des Molekulargewichts-Cut-Offs (MWCO) der Membran auf die Retention eines Zielproteins zu untersuchen, und der Prozess unter Bedingungen geringer Scherung abläuft, kann die Verwendung eines A{3}-Screens für das vorläufige Screening akzeptabel sein.

Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass alle nachfolgenden Studien zu Flussmittel, Verschmutzung, Konzentrationszeit oder Produktaggregation aufgrund von Unterschieden im Siebtyp verzerrt sein können.