Downstream processing dans l'industrie biopharmaceutique

Le Downstream Processing (également connu sous le nom de DSP, pour Traitement en aval) dans la fabrication de produits biopharmaceutiques se réfère à la récupération et à la purification d'une substance médicamenteuse issue de sources naturelles, telles que des cellules animales ou bactériennes. Le downstream processing dans l'industrie biopharmaceutique est applicable dans les procédés de synthèse d'anticorps monoclonaux (mAb) ou de protéines, ainsi que dans la fabrication d'oligonucléotides, de polysaccharides et de divers vaccins.

Le downstream processing est généralement défini comme la séquence des opérations unitaires effectuées après l'achèvement de la croissance et de la prolifération cellulaires, ainsi qu'à la suite de la synthèse de la substance médicamenteuse ou de la formation d'un autre produit. Le but du downstream processing est d'isoler, de purifier et de concentrer la substance médicamenteuse préalablement synthétisée ou un autre produit à partir de la matrice primaire complexe.

La transformation en aval peut également inclure des activités de formulation, afin d'opérer la transition de la substance médicamenteuse au médicament. En outre, le traitement en aval inclut la gestion des ressources, des risques biologiques et de multiples déchets. Les activités de traitement en aval sont réalisées aux stades des procédés pilotes, de laboratoire et de fabrication et impliquent les équipes responsables de la mise en œuvre des technologies de mesures industrielles et des sciences et des technologies de fabrication qui se concentrent sur l'optimisation des processus et les opérations d'extrapolation et de dépannage. 

Selon la nature du produit et la méthode de synthèse utilisée, le downstream processing comprend généralement une combinaison des étapes suivantes :

• Récolte et filtration
  La récolte est la première étape pour séparer le produit des débris en vrac tout en optimisant le rendement et de la qualité du produit
  
  
• Capture primaire
  La capture se réfère à la conservation du produit souhaité tout en minimisant la rétention des impuretés et des sous-produits. Elle diffère de la « récolte » dans la mesure où l'ensemble des débris en vrac ont déjà tous été pratiquement éliminés.
  
  
• Échange de solutions tampons et augmentation de la concentration
  L'ultrafiltration (UF) concentre un flux de produit dilué et sépare les molécules en solution en fonction de la taille des pores de la membrane ou du seuil de masse moléculaire. La diafiltration (DF) échange les produits d'un tampon existant vers un nouveau tampon pour un processus suivant ou un tampon de formulation finale. L'ultrafiltration (UF) et la diafiltration (DF) sont les étapes conjuguées de l'échange de solutions tampons.
  
  
• Purification (et élimination des contaminants ou des impuretés)
  La purification élimine les impuretés résiduelles lors de chaque méthode successivement employée, tout en conservant autant de produit que possible. L'objectif est de garantir la pureté du produit tout en minimisant une perte de rendement potentielle.
  
  
• Bioconjugaison (dépendante de la molécule)
  Les molécules bioconjuguées constituent une nouvelle classe ou génération de molécules biologiques qui sont conçues pour offrir une efficacité accrue, rendue possible par l'action combinée de deux ou plusieurs types de molécules de composés thérapeutiques. Les conjugués anticorps-médicament (ADC) sont l'un des bioconjugués les plus courants et sont synthétisés en modifiant biochimiquement un anticorps et en le liant de manière covalente à un autre ingrédient pharmaceutique actif.
  
  
• Formulation
  La formulation est le processus qui transforme une substance médicamenteuse en produit pharmaceutique formulé. La formulation consiste à produire la molécule du produit d'un environnement, d'un solvant ou dans un autre état physique sous une forme appropriée pour une administration clinique.

• Filtration en profondeur ou via des filtres à fibres creuses : les méthodes de récolte comprennent généralement une filtration en profondeur (image 1) ou une filtration via des filtres à fibres creuses (image 2), selon la nature du produit et du processus. Dans le cas d'une filtration en profondeur, un mélange est pompé à travers une membrane ou une autre interface afin de séparer les débris du produit en suspension liquide. Les filtres à fibres creuses sont utilisés dans des opérations de bioprocédés continus pour éliminer la substance médicamenteuse exprimée du surnageant, tout en piégeant temporairement une partie de la biomasse dans le filtre à fibres creuses. Le fractionnement d'écoulement de champ est une autre technique émergente actuellement essentiellement rencontrée dans les environnements de développement. Grâce à différents modes de fonctionnement et diverses configurations, il est possible de parvenir aux résultats suivants :
  • Modulation sans aucune séparation de cellule ou de particule (image 3a).
  • Séparation de cellules ou de particules des flux d'alimentation dans un nouveau flux de capture avec détournement ou séparation d'une deuxième population de particules (image 3b).
  • Déplacement d'un système de particules entier dans un nouveau flux et/ou réallocation de fluides, éventuellement en recirculation (image 3c).
  • Interaction hydrodynamique, au cours de laquelle un mélange modulé de sélection de particules et d'échange de fluides peut se produire (image 3d).

• Centrifugation : il s'agit d'une autre méthode de séparation largement adoptée pour les bioprocédés. Cependant, du fait de la tendance de plus en plus courante de disposer d'une biomasse totale élevée à très élevée et à une densité cellulaire viable finale modérée, la centrifugation est davantage considérée comme un goulot d'étranglement et elle est peu utilisée pour les bioprocédés continus.
  
  
• Lyse d'acide/agent tensioactif et absorption de phase organique : la séparation des produits par lyse poursuit généralement un objectif de base qui consiste à perturber efficacement les structures séquestrantes contenant la substance médicamenteuse ou le produit et à créer une séparation physique entre les débris ou les autres impuretés et la substance médicamenteuse. La lyse d'acide ou d'agent tensioactif est presque exclusivement utilisée dans le cadre de l'expression bactérienne, et occasionnellement celle de la levure. De même, l'absorption et la capture en phase organique d'un produit sont des opérations courantes parmi les systèmes d'expression et de production bactériens et elles sont parfois utilisées pour les systèmes de levure.
  
  
• Floculation et précipitation : ces méthodes de manipulation du système de particules actives sont employées pour atteindre l'objectif de séparation. La floculation est généralement appliquée en tant que méthode de préparation avant une filtration ou une centrifugation La mise en œuvre du procédé de floculation garantit un débit élevé dans les unités de filtration, ainsi qu'une séparation efficace et économique du matériau cellulaire et du surnageant. Des méthodes d'élimination des floculants et des protocoles de vérification supplémentaires peuvent être nécessaires. La précipitation est une manipulation active des particules déclenchée par la modification de paramètres, tels que le solvant ou la force ionique, afin de diminuer la solubilité.
  

La distribution granulométrique constitue un paramètre critique de procédé (PCP) impliqué dans la capacité du filtre et dont l'impact est beaucoup plus important que la turbidité et la pression uniquement. La distribution granulométrique peut être intégrée au fil du temps pour cartographier l'accumulation de particules sur les filtres (électrode située au-dessus du filtre) et anticiper un échec. La distribution granulométrique peut également être mesurée en dessous du filtre pour observer et effectuer le suivi de fuites de particules et identifier des événements similaires.

La méthode et la stratégie de capture varient légèrement en fonction de la nature de la molécule cible. Pour l'essentiel, les anticorps sont capturés grâce à des résines d'affinité telles que la protéine A et la protéine G, ainsi que grâce à d'autres méthodes d'ingénierie sélective. La chromatographie par échanges d'ions permet de capturer le plus souvent les protéines et les oligonucléotides autres que les anticorps. Des produits tels que des polysaccharides et des structures complexes de glycane sont souvent capturés grâce à la chromatographie hydrophobe ou la chromatographie à polarité de phase inversée.

• La chromatographie d'affinité (protéine A/G) est une méthode chromatographique de première passe (généralement appelée protéine A ou ProA) qui sépare et concentre le produit d'intérêt (généralement un anticorps monoclonal) d'autres matériaux solubles en liant ou en retenant de manière réversible la protéine cible à la colonne via des interactions de liaison spécifiques (image a), tandis que les autres composants « éluent » à travers la colonne (image b). Une série d'étapes de lavage suivies d'une élution sélective et libération de la molécule cible (image c). Des problèmes se produisent lors de l'utilisation de la chromatographie d'affinité, notamment, par exemple, l'optimisation de la liaison de la protéine cible (charge de colonne) à la colonne d'affinité. Bon nombre de ces problèmes sont actuellement résolus grâce à des systèmes UV intégrés qui répondent aux exigences actuelles, mais dont les possibilités offertes par des méthodes telles que la spectroscopie FTIR in situ.
  
  
• La chromatographie par échanges d'ions sépare et concentre le produit d'intérêt (protéines, oligonucléotides et autres) d'autres matériaux solubles en liant ou en retenant de manière réversible la molécule cible à la colonne en fonction de la force de l'interaction électrostatique avec le matériau en phase solide (image d), tandis que les autres composants « éluent » à travers la colonne. La chromatographie par échange d'ions est régulièrement utilisée en tant que méthode supplémentaire ou alternative de purification et elle n'est donc pas limitée aux applications de capture.

L'ultrafiltration (UF) est fréquemment utilisée dans les procédés biologiques en aval pour concentrer un flux de produit dilué. L'ultrafiltration (UF) sépare les molécules dans une solution en fonction de la taille des pores de la membrane ou du seuil de masse moléculaire. La diafiltration (DF) est le plus souvent utilisée pour échanger le produit dans un tampon cible (par exemple à partir d'un tampon d'élution dans un tampon de formulation finale).

• L'ultrafiltration et la diafiltration (séquence d'opérations dénommée échange de solutions tampons) utilisent généralement la filtration à flux tangentiel, dans laquelle le flux d'alimentation s'écoule parallèlement plutôt que perpendiculairement à la surface de la membrane. L'échange de solutions tampons reste une opération très manuelle et rarement optimisée. La concentration du produit est généralement analysée par une forme de spectroscopie UV, soit autonome, telle qu'un détecteur pour CLHP, ou comme une méthode à trajet optique variable.

Un certain nombre de défis doivent être relevés au cours du processus d'échange de solutions tampons :

• Le suivi précis des volumes d'échange.
• La prédiction de processus fiable à partir d'échantillons ponctuels non représentatifs.
• Les goulots d'étranglement ou les retards de réponse consécutifs aux mesures hors ligne.
• Les pertes de produit cumulées suite aux prélèvements extractifs.
• La propagation des erreurs lors de la préparation des échantillons pour les mesures UV et CLHP hors-ligne.
• Les spectroscopies IR et Raman in situ permettent d'analyser simultanément plusieurs composants, en bénéficiant d'une précision et d'une plage dynamique accrues et sans subir les retards associés à l'analyse hors ligne. 

Plusieurs méthodes utilisées en séquence sont utilisées pour accroître la pureté de la substance médicamenteuse en commençant par les premières étapes de clarification et d'extraction, suivies d'une méthode appropriée de capture et d'une première isolation des débris en vrac, puis par des étapes intermédiaires et finales de purification, ces dernières comprenant la chromatographie de polissage, la filtration nano/stérile, la cristallisation et la clairance virale.

En éliminant les retards associés aux analyses hors ligne, les mesures FTIR in situ améliorent les étapes de la chromatographie de polissage en fournissant une rétroaction immédiate pour quantifier et spécifier les composants de la fraction, notamment les solutions tampons, la substance médicamenteuse et les impuretés, pendant les étapes de purification intermédiaires. Il en résulte une amélioration des coupes de fraction, une meilleure discrimination des agrégats ou des fragments et une augmentation de la concentration totale en temps réel. En ce qui concerne la clairance virale, tout virus présent dans la suspension thérapeutique concentrée et semi-purifiée est intentionnellement atténué ou voit son pouvoir pathogène abruptement supprimé, en altérant l'environnement du virus. Le contrôle et l'ajustement de ces paramètres critiques de procédé (PCP) sont possibles grâce à des plateformes de réacteurs automatisés dotées de capteurs biophysiques intégrés. Les technologies de mesures industrielles en ligne sont utiles pour caractériser les impuretés lors des étapes ultérieures de la purification, car les concentrations sont généralement supérieures et il est plus facile de distinguer le produit dans une matrice semi-purifiée. 

Les molécules bioconjuguées constituent une nouvelle classe ou génération de molécules biologiques qui sont conçues pour offrir une efficacité accrue, rendue possible par l'action combinée de deux ou plusieurs types de molécules de composés thérapeutiques. La chimie des bioconjugués nécessite une caractérisation et une optimisation détaillées des processus. Les outils conventionnels tels que les microtubes à centrifuger, les béchers, les plaques chauffantes, les barreaux aimantés et les pipettes de transfert ne sont plus en mesure de répondre aux exigences en matière de reproductibilité en ce qui concerne le pH, la température, le dosage, le mélange et d'autres paramètres.

La chimie des bioconjugués repose sur une séquence d'étapes bien contrôlées qui peuvent inclure la réduction du groupe fonctionnel, l'activation, la conjugaison API-coupleur au produit biologique primaire, suivie d'un nombre quelconque d'étapes de lavage ou d'échange de solvant ou de solutions tampons (voir le diagramme ci-dessous). Les scientifiques du secteur biopharmaceutique adoptent la méthodologie utilisée dans la R&D sur les petites molécules, telle que les réacteurs de synthèse automatisés EasyMax. Les réacteurs de synthèse automatisés EasyMax offrent une architecture cohérente afin que les paramètres de processus pertinents, notamment le pH, la conductivité, le rédox, la température, l'agitation, le dosage, etc., soient contrôlés avec précision et que les données expérimentales soient capturées avec précision. L'automatisation de la chimie des bioconjugués permet de garantir l'intégration des données, la corrélation des événements de processus et l'intégrité des conditions expérimentales, en fournissant les paramètres d'extrapolation du plan d'expérimentation. 

La formulation a pour but de produire la molécule du produit d'un environnement, d'un solvant ou dans un autre état physique sous une forme appropriée pour une administration clinique. La molécule du produit est formulée en fonction de la manière dont le produit final sera utilisé par inhalation, injection ou dosage oral. La stabilité du produit à long terme et des excipients associés est évaluée pour s'assurer que la dose mesurée et les attributs de qualité essentiels sont conformes aux spécifications après le traitement, le stockage et l'expédition. Outre la stérilité, il est essentiel de garantir l'élimination des impuretés et des endotoxines et de prévenir la dégradation du médicament afin de préserver l'innocuité et l'efficacité pendant la fabrication et le stockage à long terme d'une protéine thérapeutique.

Les produits pharmaceutiques formulés comprennent des protéines (en particulier des anticorps monoclonaux), des polysaccharides, des systèmes de nanoparticules, des composés organiques, des oligonucléotides et de nombreux types de vaccins. Certains vaccins sont formulés à l'aide d'un adjuvant, typiquement une particule à base d'aluminium, ou une émulsion organique. La formulation de vaccins et la synthèse d'adjuvants en particulier sont des méthodes de travail bien positionnées pour tirer parti des stations de réaction parallèle automatisées, de la numérisation du flux de travail et de l'intégration des technologies de mesures industrielles. Grâce aux technologies de mesures industrielles en temps réel, les connaissances sur ce qui se passe pendant le processus sont considérablement accrues, au lieu d'analyser uniquement les points de départ et d'arrivée.

• Identifier les facteurs contribuant aux goulots d'étranglement et à la formation d'impuretés au cours du développement des bioprocédés.
• Comprendre l'influence des conditions de procédé sur la concentration et sur le rendement du produit.
• Minimiser les inexactitudes et les retards dus aux techniques de production et d'analyse classiques et moins efficaces.
• Surveiller des opérations spécifiques telles que la purification, la chromatographie, l'échange de solutions tampons, l'augmentation de la concentration et la formulation.
• Utiliser des méthodes d'exploration de données pour caractériser pleinement la relation entre les différentes étapes de traitement en aval et exploiter ces informations pour optimiser les performances des processus continus.
• Mettre en œuvre une stratégie intégrée de Qualité par la Conception (QbD)/technologies de mesures industrielles.

Ce guide vous permet de découvrir comment les scientifiques utilisent les technologies de mesures industrielles afin de transformer les méthodes de travail quotidiennes et d'améliorer sensiblement les procédés en aval. Les thèmes abordés sont les suivants :

• Surveillance de la concentration en protéines
• Optimisation du processus d'échange de solutions tampons
• Composition, distribution et morphologie des adjuvants de vaccins
• Automatisation de l'inactivation virale
• Développement de procédés de bioconjugaison

L'industrie biopharmaceutique adopte une nouvelle technologie pour obtenir une meilleure compréhension des processus en appliquant avec succès des méthodes de traitement en continu et en permettant un enregistrement complet des données et leur conservation sous forme électronique. Grâce aux réacteurs de laboratoire automatisés, aux analyseurs spectroscopiques in situ, ainsi qu'aux outils de caractérisation des particules et aux logiciels avancés, les technologies de mesures industrielles permettent d'exercer un contrôle de précision et de bénéficier d'une compréhension globale pour l'optimisation des opérations en aval.

• Récolte et filtration : ParticleTrack (FBRM) mesure l'accumulation de particules et la distribution granulométrique du milieu liquide cellulaire entrant ou sortant des filtres et peut fournir une corrélation de la portée ou un réglage de tendance pour minimiser les interruptions de processus. EasyViewer effectue une analyse d'images et détermine la distribution granulométrique, l'accumulation et la morphologie des particules à partir d'images du processus en ligne avec référence au temps. Placé au-dessus ou en dessous des filtres, EasyViewer peut fournir une corrélation de la portée ou un réglage de tendance, mais il est plus précieux lorsqu'il est appliqué pour l'analyse des causes profondes, la caractérisation et l'étude de la morphologie des particules.
  
  
• Capture primaire : la vitesse d'échantillonnage et la perte au séchage pour ReactIR sont avantageuses pour la chromatographie de capture primaire, en permettant d'enregistrer plusieurs points de mesure dans des événements rapides, tout en différenciant plusieurs composants d'un point de vue quantitatif. Surveillez les flux d'alimentation variables, ainsi que la qualité de la résine et les performances tout au long du cycle de vie. Identifier et caractériser les composants d'éluat et éliminer les retards dans la réception des résultats analytiques pour prendre des décisions basées sur les données en temps réel.
  
  
• Échange de solutions tampons et augmentation de la concentration : ReactIR capture et quantifie simultanément plusieurs excipients et espèces de substances médicamenteuses en temps réel. Contrôler l'utilisation du tampon ; surveiller les effets de la membrane ; utiliser une concentration directe in situ plutôt que des approximations diavolumiques ; améliorer les précisions de concentration de +/-5 % à +/-2 % ; éliminer les retards dus aux analyses. Les réacteurs automatisés EasyMax accélèrent le développement de processus jusqu'à 80 % grâce à la capture et à la structure des données expérimentales, au contrôle précis de tous les paramètres critiques de procédé (PCP) et à l'intégration de capteurs biophysiques pou les mesures de pH, de la conductivité, du rédox et de l'oxygène dissous (DO)
  
  
• Purification : ReactIR est avantageux pour la prise en charge de la chromatographie de polissage. Quantifiez et spécifiez les composants de la fraction, notamment les solutions tampons, la substance médicamenteuse et les impuretés. Améliorez les coupes de fraction, la discrimination des agrégats ou des fragments et la concentration totale en temps réel ; réduisez les délais de réception des résultats des analyses hors ligne. Grâce à  EasyMax appliqué à l'inactivation virale, vous pouvez évaluer rapidement l'espace du plan d'expérimentation, notamment les conditions de mélange, le contrôle de la température, les stratégies de dosage et les vitesses. Atténuez les effets sur la qualité de la désamidation et de la dénaturation induites par le pH. Accélérez le développement des processus grâce à l'intégration de capteurs biophysiques pour les mesures de pH, de la conductivité, du rédox et de l'oxygène dissous. Avec ParticleTrack (FBRM) et EasyViewer, l'impact des paramètres de processus sur la cristallisation est déterminé pour une optimisation rapide du processus.
  
  
• Bioconjugaison (dépendante de la molécule) : EasyMax permet une évaluation rapide et un contrôle précis des PCP dans l'espace du plan d'expérimentation, notamment les conditions de mélange, le contrôle de la température, les stratégies de dosage et les vitesses. Éliminez la variabilité expérimentale associée aux méthodes d'analyse manuelles hors ligne et aux contrôles incorrects des paramètres critiques de procédé. ReactIR et ReactRaman fournissent des informations détaillées relatives aux développements mécaniques en temps réel, éliminant les retards dus aux analyses hors ligne et les inexactitudes d'échantillonnage.
  
  
• Formulation : EasyMax contrôle l'ensemble des paramètres critiques de procédé et intègre ReactIR, ReactRaman, ParticleTrack, EasyViewer et de nombreux capteurs biophysiques. Caractérisez la stabilité de la substance médicamenteuse et du médicament, la concentration finale, la synthèse d'adjuvant, les polymérisations, l'encapsulation, les adsorptions et les autres événements concernant les particules.

Le réacteur automatisé EasyMax est un poste de travail complet pour l'optimisation des paramètres fondamentaux dans la conception et l'exécution de méthodes de traitement en aval. Ce système entièrement automatisé permet d'exercer un contrôle précis des variables clés des procédés biologiques.

• Contrôlez ainsi tous les paramètres critiques de procédé (PCP), notamment l'identification des réactifs et des matériaux sources, le dosage, la température, le mélange, la mesure du pH et le titrage bidirectionnel.
  
  
• Le poste de travail s'intègre aisément à la méthodologie d'analyse in situ, notamment ReactIR (FTIR), ReactRaman (Raman), ParticleTrack (FBRM), EasyViewer (analyse d'images in situ) et EasySampler. Réalisez des expériences sans surveillance ; exécutez un échantillonnage automatisé intelligent lorsqu'une analyse hors ligne est requise.
  
  
• Le logiciel iC permet l'exécution et le contrôle automatisés de l'ensemble des expériences et des équipements périphériques, ainsi que l'enregistrement complet des données et la conservation des enregistrements.

ReactIR utilise la spectroscopie dans l'infrarouge moyen pour mesurer à la fois les composants solubles aqueux et organiques dans un réservoir ou un flux de processus fluide, à la fois in situ et en temps réel. Les mesures ReactIR ne sont pas affectées par les substances solides en suspension, les bulles ou la masse cellulaire.

• Surveillance de plusieurs attributs de qualité du produit in situ. Élimination des retards associés aux échantillons ponctuels.
  
  
• Quantification de l'impact des étapes de traitement sur le rendement du produit et l'efficacité du processus.
  
  
• Analyses de données exploitables pour la prise de décision et le contrôle en temps réel.
  
  
• Prise en charge des directives réglementaires du CIH grâce à des expériences riches en données et à leur numérisation.
  
  
• Passage aisé de la R&D à la fabrication.
  
  
• Mesure des concentrations d'analytes aussi faibles que  0,5 mg/mL dans des volumes allant de quelques millilitres à des milliers de litres.

ParticleTrack et EasyViewer permettent aux scientifiques de bénéficier des avantages suivants :

• Surveillance permanente des particules et des structures des particules selon l'évolution des conditions expérimentales.
  
  
• Suivi de la croissance des lots de systèmes biologiques en temps réel sans prélèvement d'échantillons.
  
  
• Caractérisation des conditions des systèmes de particules entrant ou sortant d'opérations telles que la filtration.
  
  
• Observation des mécanismes des particules tels que la synthèse d'adjuvant, l'adsorption et la stabilité antigène-adjuvant. 

Le système ParticleTrack avec la technologie  FBRM (Focused Beam Reflectance Measurement) est un  analyseur de particules  équipé d'une sonde insérée directement dans un réservoir et conçu pour procéder au suivi de l'évolution de la taille et du nombre de particules en temps réel. Le système utilise les mesures de distribution des structures cordales pour obtenir la distribution granulométrique. 

EasyViewer est un instrument optique équipé d'une sonde qui est insérée directement dans un réservoir pour capturer des images du système de particules. EasyViewer effectue une analyse d'images et détermine la distribution granulométrique, l'accumulation et la morphologie des particules à partir d'images du processus en ligne avec référence au temps, permettant le suivi des populations au fil du temps. 

Gregory Dutra, Daniel Komuczki, Alois Jungbauer, Peter Satzer, « Continuous capture of recombinant antibodies by ZnCl₂ precipitation without polyethylene glycol », Engineering in Life Sciences (2020), 20, 265–274.

Les auteurs font état de l'utilisation de cations divalents, en particulier ZnCl₂, pour capturer et purifier les anticorps monoclonaux par l'intermédiaire d'une méthode basée sur la précipitation.  En raison de la propension des cations divalents à former des liaisons croisées et de l'élimination du polyéthylène glycol (PEG), la viscosité du surnageant et les facteurs de dilution de résolubilisation étaient très faibles.

En maintenant la concentration de ZnCl₂ statique et en faisant varier le pH à l'aide d'un réacteur de laboratoire automatisé EasyMax, les auteurs ont quantifié l'effet du pH sur les rendements. La précipitation a été surveillée à l'aide d'une électrode ParticleTrack FBRM et la distribution de taille des groupements de protéines a été mesurée à différents pH.  Les auteurs de l'étude ont constaté que le pH optimal pour la précipitation se situe autour des pH 6 et 7, et que le pH a un impact important sur la taille des amas de précipités, les plus grands regroupements étant associés à de meilleurs rendements. Ils indiquent que la surveillance en ligne FBRM peut être utilisée pour évaluer les rendements résultants sans recourir à des mesures hors ligne de la concentration réelle au cours de la précipitation.

Carmen Mei, Sasmit Deshmukh, James Cronin, Shuxin Cong, Daniel Chapman, Nicole Lazaris, Liliana Sampaleanu, Ulrich Schacht, Katherine Drolet-Vives, Moriam Ore, Sylvie Morin, Bruce Carpick, Matthew Balmer, Marina Kirkitadze, « Aluminum Phosphate Vaccine Adjuvant: Analysis of Composition and Size Using offline and In-Line Tools », Computational and Structural Biotechnology Journal (2019), 17, 1184-1194.

Compte tenu du fait que l'interaction entre l'antigène et l'adjuvant est importante pour l'immunogénicité du vaccin, les auteurs de cette étude ont étudié les propriétés physico-chimiques de l'adjuvant, dans ce cas l'AlPO₄, telles que la taille des particules et la composition chimique. Ils ont utilisé à la fois des techniques hors ligne telles que les spectroscopies FTIR (Fourier-transform infrared) et Raman, la spectroscopie photo-électronique par rayons X (XPS), la diffraction laser et des méthodes en ligne, notamment les spectroscopies FTIR-ATR (ReactIR) in-situ, Raman (ReactRaman) et FBRM (Focused Beam Reflectance Measurement, ParticleTrack). En ce qui concerne les mesures en ligne, la distribution granulométrique du phosphate d'aluminium et de la protéine absorbée a été examinée par FBRM et une analyse de composition du phosphate d'aluminium a été réalisée en utilisant l'électrode ATR in situ.

Les auteurs ont conclu que les technologies de mesures industrielles en ligne permettent de surveiller efficacement la taille des particules et la composition chimique au cours des différentes étapes de la fabrication de l'adjuvant.  Des approches similaires peuvent également être suivies pour aider à évaluer la cohérence d'un lot à l'autre. Les auteurs de l'étude estiment que l'utilisation des technologies de mesures industrielles en ligne permet la prise en charge des stratégies de fabrication avancées telles que les tests de validation des produits en temps réel.

Voici une sélection de publications récentes sur le downstream processing dans le secteur des biotechnologies et dans l'industrie biopharmaceutique.

• Gregory Dutra, Daniel Komuczki, Alois Jungbauer, Peter Satzer, « Continuous capture of recombinant antibodies by ZnCl2 precipitation without polyethylene glycol », Engineering in Life Sciences (2020), 20, 265–274.
  
• Dhanuka P. Wasalathanthri, Matthew S. Rehmann, Yuanli Song, Yan Gu, Luo Mi, Chun Shao, Letha Chemmalil, Jongchan Lee, Sanchayita Ghose, Michael C. Borys, Julia Ding, Zheng Jian Li, « Technology outlook for real‐time quality attribute and process parameter monitoring in biopharmaceutical development—A review », Biotechnology and Bioengineering (2020), 177(10), 3182-3198.
• Carmen Mei, Sasmit Deshmukh, James Cronin, Shuxin Cong, Daniel Chapman, Nicole Lazaris, Liliana Sampaleanu, Ulrich Schacht, Katherine Drolet-Vives, Moriam Ore, Sylvie Morin, Bruce Carpick, Matthew Balmer, Marina Kirkitadze, « Aluminum Phosphate Vaccine Adjuvant: Analysis of Composition and Size Using Off-line and In-Line Tools », Computational and Structural Biotechnology Journal (2019), 17, 1184-1194.
• Julian Kager, Vladimir Berezhinskiy, Robert Zimmerleiter, Markus Brandstetter, Christoph Herwig, « Extension of a Particle Filter for Bioprocess State Estimation using Invasive and Non-Invasive IR Measurements », Computer Aided Chemical Engineering (2019), 46, 1417-1422.
• Matthias Brunner, Philipp Brosig, Monika Losing, Marco Kunzelmann, Amandine Calvet, Fabian Stiefel, Jan Bechmann, Andreas Unsoeld, Jochen Schaub, « Towards robust cell culture processes—Unraveling the impact of media preparation by spectroscopic online monitoring », Engineering in Life Sciences (2019), 19, 666-680.
• Marine Deshors, Olivier Guais, Virginie Neugnot-Roux, Xavier Cameleyre, Luc Fillaudeau, Jean Marie Francois, « Combined in situ Physical and ex-situ Biochemical Approaches to Investigate in vitro Deconstruction of Destarched Wheat Bran by Enzymes Cocktail Used in Animal Nutrition », Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2019), 7(158).
• Steffen Großhans, Matthias Rüdt, Adrian Sanden, Nina Brestrich, Josefine Morgenstern, Stefan Heissler, Jürgen Hubbuch, « In-line Fourier-transform infrared spectroscopy as a versatile process analytical technology for preparative protein chromatography », Journal of Chromatography A, (2018), 1547, 37-44.
• Anja Lemoinea, Frank Delvigneb, Anika Bockischa, Peter Neubauera, Stefan Junne, « Tools for the determination of population heterogeneity caused by inhomogeneous cultivation conditions », Journal of Biotechnology (2017), 251, 84-93.
• Anouk Dirksen, Keith A. Davis, Joe T. Collins, Keshab Bhattacharya, Jari I. Finneman, Erin L. Pepin, Jeffrey S. Ryczek, William B. Wellborn, Ratish Mangalathillam, Brad P. Evans, Mark J. Pozzo, Rory F. Finn, « Process development of a FGF21 protein–antibody conjugate », Peptide Science (2017), 110:e23042.
• Cosima Koch, Andreas E. Posch, Christoph Herwig, Bernhard Lendl, « Comparison of Fiber Optic and Conduit Attenuated Total Reflection (ATR) Fourier Transform Infrared (FT-IR) Setup for In-Line Fermentation Monitoring », Applied Spectroscopy (2016), 70(12), 1965-1973.
• Andrew Salazar, Julia Bleifuß, Anke Simon, Sabrina Schüßler, Michael Keusgen, Nikolai Stankiewicz, Jörg von Hagen, « Compaction of chemically defined cell culture media increases its dissolution rate through an increase of solvent accessible surface area », Powder Technology (2016), 301, 110-117.
• Patricio Lopez-Exposito, Angeles Blanco Suarez, Carlos Negro, « Estimation of Chlamydomonas reinhardtii biomass concentration from chord length distribution data », Journal of Applied Phycology (2016), 28, 2315–2322.
• Christian Sieblist, Marco Jenzsch, Michael Pohlscheidt, « Equipment characterization to mitigate risks during transfers of cell culture manufacturing processes », Cytotechnology (2016), 68(4), 1381–1401.
• Cosima Koch, Markus Brandstetter, Patrick Wechselberger, Bettina Lorantfy, Maria Reyes Plata, Stefan Radel, Christoph Herwig, Bernhard Lendl, « Ultrasound-Enhanced Attenuated Total Reflection Mid-Infrared Spectroscopy In-Line Probe: Acquisition of Cell Spectra in a Bioreactor », Analytical Chemistry (2015), 87, 2314−2320.
• Janosch Fagaschewski, Daniel Sellin, Charles Wiedenhöfer, Sven Bohne, Hoc K. Trieu, Lutz Hilterhaus, « Spatially resolved in situ determination of reaction progress using microfluidic systems and FT-IR spectroscopy as a tool for biocatalytic process development », Bioprocess Biosystems Engineering (2015), 38, 1399–1405.
• Huiquan Wu, Erik Read, Maury White, Brittany Chavez, Kurt Brorson, Cyrus Agarabi, Mansoor Khan, « Real time monitoring of bioreactor mAb IgG3 cell culture process dynamics via Fourier transform infrared spectroscopy: Implications for enabling cell culture process analytical technology ». Frontiers of Chemical Science and Engineering (2015), 9, 386–406.
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