Сопротивление биоматериалов

Создание биопрепаратов гораздо сложнее изготовления обычных лекарств. Разбираемся, насколько быстро удастся получить «волшебную таблетку». 

Благодаря достижениям последних лет в области фармацевтической биотехнологии, появились принципиально новые терапевтические продукты, которые могут избавить от ранее неизлечимых заболеваний. Как правило, новые терапевтические группы имеют биологическое происхождение, либо оказываются продуктом биосинтеза, либо клетками или тканями человека. 

Сейчас терапевтические продукты, действующие за счёт модификации генетического аппарата или восполнения утраченных клеток, вносят скромный вклад в медицину даже в тех странах, где их активно применяют: одобрено несколько препаратов, в основном для лечения редких заболеваний. Но разработки набирают темп, и многие заболевания уже на очереди у генных и клеточных технологий. Это вселяет надежду на то, что генные и клеточные биопрепараты когда-нибудь займут место в арсенале терапевтических средств.

Однако недостаточно создать эффективный и безопасный препарат генной и клеточной терапии. Разработчикам также нужно организовать его производство и обеспечить контроль качества технологических процессов. Все процедуры должны быть максимально стандартизированы, чтобы разные серии препарата были идентичны по характеристикам.

Это один из главных вызовов для разработчиков биотехнологических препаратов. Генные и клеточные терапии — это лекарства, получаемые из биологических источников. И те и другие — макромолекулярные сущности со сложными характеристиками, которые невозможно описать и установить полностью. Эти лекарства производятся биологическими системами (включая организм человека в случае клеточных препаратов), что вносит в конечный продукт большую вариабельность. 

Производство равно качество

Уже на заре биотехнологической эры специалисты осознали, что объективные характеристики получаемого биопрепарата, которые определяют его безопасность и эффективность, неотделимы от условий и параметров его производства. Вариабельность этих условий может привести к получению продукта с другими характеристиками (по сути, нового, безопасность и эффективность которого нужно изучать). Для получения качественного продукта необходимо строго контролировать параметры производства. 

На организацию производства биопрепаратов влияют их характеристики: 

— Специфичность механизма действия и «прицельность» обусловливают низкую неспецифическую токсичность препаратов, а их небезопасность в первую очередь объясняется фармакологическим действием (воздействием на «мишень») и иммуногенностью, а также способностью к неконтролируемой репликации или пролиферации и росту.

— Высокая чувствительность к окружающим факторам требует строго контролируемых условий производства, хранения, транспортировки, реализации и применения биопрепаратов. Клетки-продуценты также требовательны к условиям содержания, наращивания и биосинтеза.

— Неустойчивость во внешней среде обязывает содержать биопрепараты в водных средах или подвергать их лиофилизации (низкомолекулярные вещества не имеют таких сильных ограничений и зачастую могут находиться в капсулах, таблетках и т. п.).

— Сложность стерилизации препаратов, необходимость которой обусловлена способом их введения пациенту (преимущественно парентеральным). Поскольку препарат поступает в организм, минуя защитные барьеры, он должен быть тщательно стерилизован. Однако биопрепараты подвержены биологической контаминации и не могут подвергаться агрессивным методам стерилизации и очистки для устранения бионагрузки.

— Акцент на разработке биологического действующего вещества, обеспечении однородности его свойств, очистке и поддержании стабильности. Разработка формуляции (водного раствора) относительно проста по сравнению с усилиями, прилагаемыми к созданию лекарственной формы для низкомолекулярных действующих веществ (таблетки, мази, аэрозоли, пластыри).

Таким образом, выпуск биопрепаратов требует соблюдения намного больших мер предосторожности, чем выпуск обычной фармацевтической продукции. При производстве биопрепаратов число фиксируемых параметров процесса превышает 60 тыс. (при производстве низкомолекулярных веществ — менее 4 тыс.), проходит более 2 тыс. испытаний на качество (в производстве низкомолекулярных веществ — менее 100). Чем более сложная организация у производимого биологического действующего вещества, тем труднее будет создать, поддерживать и контролировать этот процесс. 

Сложности с клетками

Живые клетки человека могут быть опасны, поэтому в ходе фармацевтической разработки могут возникнуть следующие проблемы:

— Инфекционные и онкологические риски. Донор может быть инфицирован известными или неизвестными микроорганизмами, донорский материал может содержать клетки, подвергшиеся опухолевой трансформации.

— Ограниченный объём донорского материала. Это особенно важно в случае аутологичного донорства, когда препарат изготавливают из клеток пациента. Если у пациента-донора есть дефицит клеточного материала, то утрата произведённого продукта может оказаться трагической. Дефицит донорского материала накладывает ограничения на контроль качества, поскольку испытания ведут к расходованию препарата. В этом случае контроль качества может оказаться неполным. Необходимо предъявлять повышенные требования к валидации процесса производства, нередко ключевого условия обеспечения качества клеточного препарата.

— Высокие требования к условиям обработки. Клетки чувствительны к окружающим условиям и методам обработки. По этой причине производство препарата должно вестись в соответствии с правилами GMP. Соблюдение требуемых условий должно быть валидировано, а их поддержание важно контролировать. 

— Невозможность установить исчерпывающие характеристики конечного препарата. Клетки — это сложные биологические объекты, обладающие бесчисленным множеством свойств и характеристик.

Невозможность всесторонне охарактеризовать продукт означает, что он фактически определяется условиями и параметрами производства (процесс есть продукт). Следовательно, любые вариации процесса изготовления могут приводить к получению клеток с ранее неизвестными характеристиками, в том числе токсичных или неэффективных. Невозможность аналитически охарактеризовать клетки вынуждает разработчика полагаться на результаты доклинических и клинических исследований.

— Высокая трудоёмкость производства в расчёте на дозу препарата. Сегодня лекарства на основе клеток используются главным образом для терапии самого донора или индивидуально подбираемого реципиента. Фактически весь процесс производства создан для обслуживания одного пациента. Поэтому получаемый продукт такой дорогой.

— Необходимость близкого расположения производства к пациенту из-за короткого срока годности препарата и его чувствительности к условиям транспортировки затрудняет создание централизованного производства. 

Некоторые клеточные препараты могут требовать соблюдения труднодостижимых условий. Например, Kymriah (тисагенлеклейсел) должен храниться при температуре –120 °C или ниже, а Strimvelis хранится всего 6 часов при температуре 15–30 °C. 

Кроме того, децентрализация производства требует наличия высококвалифицированных сотрудников. Это особенно значимо при попытке организации производства клеточных препаратов в больничных условиях, где создание GMP-окружения требует дополнительных финансовых вложений.

Подобная система требований, позволяющая всесторонне обеспечивать качество, безопасность и эффективность препаратов генной и клеточной терапии, существует только в рамках фармацевтического законодательства как в ЕС, США и ЕАЭС.

Спрос высок, а предложения нет

Технологические ограничения в совокупности с относительно скромными достижениями в области регенеративной медицины с использованием клеточных лекарственных препаратов тормозят развитие клеточных технологий.

Наряду с вопросами эффективности и безопасности клеточных препаратов отрасли предстоит решить проблему их серийного выпуска. Желательно использовать стандартизированные банки аллогенных клеток для универсального применения у разных пациентов вне зависимости от иммунологической совместимости или с возможностью индивидуализации. Такие банки должны быть максимально свободны от микробных контаминантов, а условия хранения и транспортировки не должны накладывать сильных ограничений на цепи поставок.

Проблемы производства и контроля качества генотерапевтических препаратов определяются природой действующего вещества — последовательности рекомбинантной нуклеиновой кислоты, которая непосредственно или после генетической модификации ex vivo вводится пациенту для регулирования, репарации, замены, добавления или удаления генетической последовательности. Проблемы обусловлены:

— Неполным пониманием всех генетических и эпигенетических зависимостей, которые приводят к полигенным заболеваниям (болезни сердечно-сосудистой системы, сахарный диабет, онкологические, нейродегенеративные и инфекционные заболевания).

— Недостаточным уровнем знаний в области молекулярной биологии, генной инженерии и смежных дисциплин. Существуют ограничения по количеству генетического материала, который за раз может быть доставлен в клетку-мишень (не любой ген может быть заменён или добавлен). Также есть ограничения с точки зрения специфичности воздействия. Например, при удалении патологической генетической последовательности могут быть повреждены и здоровые участки. Некоторые варианты добавления генов или регуляторных элементов (промоторов, энхансеров) могут приводить к сбою регулирования и непредвиденным последствиям. Всё это в том числе определяется дизайном генной конструкции и генетической разработкой в целом.

— Отсутствием высокоспецифичных технологий доставки действующего вещества в клетки-мишени. Внемишеневая доставка чревата различными вариантами токсичности, включая запуск канцерогенеза. Поэтому важно создать подходящую и избирательную технологию доставки, которая может основываться на физических методах (например, электропорации или сонопорации), химических методах (обработке поверхностно-активными веществами), носителях (липосомах) и биологических векторах (вирусах и вирусоподобных частицах).

— Отсутствием полной специфичности в отношении клеток-мишеней и эффективной генетической модификации всех поражённых клеток. Недостаточная эффективность доставки терапевтического трансгена в целевые клетки особенно характерна для «защищённых» органов, например головного мозга.

Эти ограничения требуют проведения комплекса аналитических испытаний для оценки того, в какие ткани и органы доставлена генетическая конструкция, как долго она остаётся в организме, произошла ли интеграция в геном, сколько получилось копий генетической конструкции и какова её идентичность, происходит ли экспрессия кодируемого генной конструкцией продукта. Однако с учётом ограничений современных аналитических технологий получаемые результаты всегда приблизительны и не позволяют в полной мере охарактеризовать все происходящие в организме процессы.

Сегодня наиболее эффективный метод доставки генетического материала — вирусные векторы. Основные опасения при использовании большинства из них связаны с риском спонтанного восстановления вирулентности (например, если используются аденовирусные, герпесвирусные или ретровирусные векторы), с потенциалом беспорядочной интеграции (ретровирусов), а также с недостаточной очисткой от различных вирусов-контаминантов (например, от аденовирусов в случае аденоассоциированных вирусов). Кроме того, использование вирусных векторов чревато острым иммунным ответом организма (цитокиновый шторм).

Иммуногенность вирусных векторов ограничивает их повторное использование. Поэтому большинство генотерапевтических препаратов можно вводить лишь один раз. Если же однократного введения недостаточно, необходимо продумать альтернативные способы доставки. Это значит, что придётся создать новый лекарственный препарат и снова проверить его безопасность, эффективность, проконтролировать производство.

Ввиду сложности процессов производства, ограниченных возможностей по очистке от примесей (например, не подвергшихся генетической модификации клеток) и инактивации микробных контаминантов единственный действенный инструмент контроля качества препарата — правильно спланированный, всесторонне охарактеризованный и валидированный процесс. Валидация подтверждает, что итогом производства станет лекарство требуемого качества. Для этого процесс повторяют много раз и всесторонне характеризуют входные материалы, промежуточные продукты производства и конечный препарат. Разработчик должен доказать, что выбранные параметры процесса производства отвечают цели разработки препарата.