Как выбрать платформу для производства биологического препарата

Одно и то же целевое вещество можно получать с помощью разных биотехнологических систем: бактерий, дрожжей, клеток млекопитающих, насекомых или бесклеточных реакций. Универсально лучшей платформы нет: выбор зависит от строения продукта, нужных модификаций белка, требуемой чистоты и производственных ограничений. Поэтому сравнивать технологии полезнее не по принципу «какая современнее», а по тому, насколько хорошо каждая справляется с конкретной молекулой.

Ниже рассмотрены платформы для производства белков и некоторых других биологических продуктов. Это не рейтинг и не инструкция по созданию препарата: промышленный процесс требует разработки, контроля качества и соответствия нормативным требованиям. Главный практический вопрос — какие свойства целевого продукта должна обеспечить система и какую дополнительную работу придётся выполнить при очистке и контроле.

Сначала определяют свойства продукта

Белок — не просто последовательность аминокислот. Для активности и стабильности могут иметь значение его пространственная структура, сборка из нескольких цепей, образование дисульфидных связей и посттрансляционные модификации. К ним относятся, например, присоединение углеводных цепей — гликозилирование. Платформы отличаются тем, какие из этих процессов они способны выполнять и насколько близко результат соответствует требованиям к конкретной молекуле.

До выбора производственной системы обычно формулируют целевой профиль продукта: какие характеристики нужны, какие примеси необходимо контролировать и какие методы позволят подтвердить качество. В документах FDA и Европейского агентства по лекарственным средствам для биологических препаратов подчёркивается значимость аналитической характеристики и контроля процесса [1, 2]. Это особенно важно для белков со сложной структурой: похожая аминокислотная последовательность сама по себе не доказывает тождественность всех свойств готового продукта.

Сравнение основных платформ

Бактериальная экспрессия

Бактерии привлекательны тем, что их удобно выращивать и использовать для синтеза многих относительно простых белков. Система может быть подходящей, если целевому продукту не нужно человеческое гликозилирование, а его структура формируется правильно в бактериальной клетке или после выделения. Однако способность быстро нарабатывать белок ещё не означает, что его легко превратить в качественный конечный продукт.

Часть белков накапливается в нерастворимых агрегатах — так называемых телах включения. Тогда может потребоваться выделение белка, его растворение и последующая перенастройка свёртывания; результат оценивают по выходу правильно сформированной и активной молекулы, а не только по количеству сырого белка. Ещё один специфический фактор — эндотоксины бактериальной клеточной стенки. Для препаратов, где их присутствие недопустимо или ограничено требованиями качества, необходимы соответствующие этапы удаления и контроля.

Дрожжи и другие эукариотические микроорганизмы

Дрожжи занимают промежуточное положение между бактериями и клетками животных: это эукариотические организмы, но их нельзя считать упрощённой копией человеческой клетки. У разных систем отличаются особенности секреции белка, его обработки и гликозилирования. Поэтому наличие у дрожжей механизмов присоединения углеводных цепей не гарантирует нужного для конкретного лекарства профиля таких цепей.

Платформу на дрожжах рассматривают, когда свойства целевого белка допускают этот тип обработки или когда разработанный процесс позволяет получить продукт с приемлемыми характеристиками. Решение принимают по результатам анализа самой молекулы и её функции, а не по одному общему преимуществу — например, удобству культивирования. Такие же продукт-специфические проверки нужны и для других микроорганизмов, включая системы на основе нитчатых грибов.

Клетки млекопитающих

Клеточные линии млекопитающих широко применяются для производства сложных белковых препаратов, в том числе антител. Их выбирают, когда важны эукариотическая сборка белка и определённые посттрансляционные модификации. Но и такая система не воспроизводит свойства человеческого организма автоматически: характеристики продукта зависят от клеточной линии и условий процесса, а профиль модификаций нужно измерять и контролировать.

Культивирование клеток млекопитающих требует поддержания заданных условий и управления изменчивостью процесса. Кроме того, для производств с клеточными субстратами существенны вопросы вирусной безопасности. Руководство ICH Q5A(R2) описывает подходы к оценке вирусной безопасности биотехнологических продуктов, получаемых из клеточных линий человека или животных [3]. Это не означает, что все платформы несут одинаковый риск: оценка и меры контроля зависят от системы и конкретного процесса.

Клетки насекомых и бесклеточные реакции

В системах на клетках насекомых, в том числе с использованием бакуловирусных векторов, получают некоторые рекомбинантные белки и вирусоподобные частицы. Применимость платформы зависит от того, подходит ли результат по структуре, активности и другим критичным характеристикам. Отдельно оценивают производственный процесс, очистку и контроль возможных примесей, связанных с клетками-хозяевами и используемой системой экспрессии.

Бесклеточный синтез идёт не в живой клетке, а в подготовленной смеси компонентов, обеспечивающих производство белка по матрице нуклеиновой кислоты. Поскольку клетку не нужно выращивать и поддерживать в обычном режиме культивирования, эту технологию удобно использовать в исследованиях и при быстрой проверке вариантов белка. Она может быть полезна и для отдельных специализированных задач, например когда продукт неудобно получать в живой клетке. Однако скорость лабораторного эксперимента не доказывает, что процесс будет столь же удобен по стоимости, объёму выпуска и контролю качества на промышленном масштабе.

Как сравнивать технологии на практике

Корректное сравнение начинается с набора критериев, привязанных к продукту. Одни характеристики являются обязательными: если белку нужна определённая модификация для активности, платформу, не обеспечивающую её и не позволяющую надёжно получить её другим способом, придётся исключить или дополнить процесс. Другие критерии допускают компромисс: например, более сложная очистка может быть приемлемой, если качество продукта подтверждено, а процесс остаётся управляемым.

• Структура и функция. Оценивают правильность укладки, сборку белка и биологическую активность.
• Модификации. Определяют, требуются ли гликозилирование или другие изменения и какой профиль приемлем.
• Примеси. Учитывают компоненты клеток-хозяев, остатки реагентов и особенности конкретной системы.
• Очистка и контроль. Проверяют, можно ли надёжно отделить целевой продукт и подтвердить его критичные свойства.
• Производственная устойчивость. Оценивают воспроизводимость процесса при масштабировании и способность контролировать его изменения.

Нельзя сравнивать платформы только по максимальному выходу белка в эксперименте. Этот показатель не учитывает долю правильно сформированной молекулы, потери при очистке, требования к удалению примесей и стабильность характеристик между сериями. Для терапевтического продукта важен весь путь от клеточного или бесклеточного синтеза до контролируемого готового материала.

Типичные ошибки при выборе платформы

Первая ошибка — переносить выводы с одного белка на другой. Удачная бактериальная экспрессия небольшого белка не доказывает, что в тех же условиях получится активное антитело. Вторая — путать наличие механизма обработки с нужным результатом: сам факт гликозилирования не говорит о соответствии целевым характеристикам. Третья — считать технологию предпочтительной только потому, что она быстрее на исследовательском этапе или кажется дешевле до учёта очистки и контроля.

Ещё одно заблуждение — рассматривать платформу отдельно от процесса. На итоговые свойства влияют клеточная линия или штамм, конструкция генетического элемента, условия культивирования, сбор материала и этапы очистки. Поэтому практический выбор обычно требует сравнения нескольких вариантов на небольших масштабах, анализа полученных образцов и проверки того, удаётся ли воспроизвести нужные характеристики в управляемом процессе.

Вывод

Бактериальные системы часто рассматривают для белков без сложных требований к эукариотическим модификациям; дрожжевые — когда подходит их собственный профиль обработки; клетки млекопитающих — для ряда сложных терапевтических белков; клетки насекомых и бесклеточные системы — для задач, где их особенности соответствуют продукту. Эти ориентиры помогают составить короткий список кандидатов, но не заменяют эксперименты и аналитическую оценку. Выигрывает не платформа с самым громким преимуществом, а та, которая позволяет стабильно получать продукт с требуемыми свойствами и контролируемым качеством.

FAQ

Какая платформа самая дешёвая?

Единого ответа нет. Стоимость зависит не только от синтеза, но и от выхода активного продукта, очистки, контроля качества, оборудования и требований к конкретному процессу. Сравнивать имеет смысл полные технологические схемы, а не отдельный этап производства.

Можно ли производить любой белок в бактериях?

Нет. Для некоторых белков проблемой становятся сложная укладка, сборка или потребность в модификациях, которых бактериальная система не обеспечивает в нужном виде. Иногда продукт удаётся получить после дополнительных операций, но их результат необходимо проверять.

Значит ли производство в клетках млекопитающих, что белок идентичен человеческому?

Нет. Такая платформа может обеспечивать важные эукариотические процессы, но свойства продукта зависят от конкретной клеточной линии и условий производства. Их подтверждают аналитическими и функциональными методами.

Может ли бесклеточная система заменить клеточную фабрику?

Для отдельных исследовательских или специализированных применений бесклеточный синтез может быть удобным. Но возможность получать белок без культивирования клеток сама по себе не доказывает, что такой подход будет предпочтителен для конкретного продукта при масштабном выпуске.

Документы для дальнейшего изучения

• [1] FDA. Quality Considerations in Demonstrating Biosimilarity of a Therapeutic Protein Product to a Reference Product, руководство для отрасли, 2015.
• [2] EMA. Guideline on similar biological medicinal products containing biotechnology-derived proteins as active substance: quality issues, EMA/CHMP/BWP/247713/2012.
• [3] ICH. Q5A(R2): Viral Safety Evaluation of Biotechnology Products Derived from Cell Lines of Human or Animal Origin.