Closed system automation for cell therapy / Automazione a sistema chiuso per terapia cellulare
Closed system automation for cell therapy / Automazione a sistema chiuso per terapia cellulare
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Introduction
Initial research into CAR T technology relied on manual, open systems for development. As the technology matures, CAR T cell manufacturers are continually looking for process improvements that can decrease overall costs. They are also looking for improvements that will decrease contamination, improve batch-to-batch consistency, and allow for monitoring and capture of critical information, which will help with the ever-changing regulatory environment. To this end, CAR T cell therapy manufacturers are turning to automated, closed systems with integrated software controls to achieve lower manufacturing costs, maintain product consistency, and meet regulatory requirements.
Closed versus open systems for manufacturing CAR T cell therapies
Numerous steps in the methods for isolation and expansion of CAR T cell therapies have options that can be performed using an open or closed system. For example, density gradient centrifugation for the isolation of PBMCs is typically performed using an open system and T flasks commonly used for research-scale cell growth are an open system. However, open systems can expose the cell therapy product to a room’s environment and require increased user interaction, such as working under a laminar air flow hood. These open processes tend to be more labor intensive and can take up larger footprints, especially when trying to reach a larger manufacturing scale. Another consideration in using open systems is the need to utilize a grade A or grade B manufacturing facility, whereas a closed system can be implemented in a grade C facility. The difference in manufacturing conditions required for a closed system can considerably decrease costs, labor, and space requirements. In research settings, manual open processes may be the route chosen. However, these methods should be avoided in clinical applications and final cell therapy manufacturing because of the increased risk of contamination and batch-to-batch product variability, which can hinder regulatory approval and possibly result in product failure.
According to the European Medicines Agency (EMA), a closed system is “A process system designed and operated so as to avoid exposure of the product or material to the room environment. Materials may be introduced to a closed system, but the addition must be done in such a way so as to avoid exposure of the product to the room environment (e.g., by means of sterile connectors or fusion systems)” (italics added). Systems can be closed using a variety of devices and techniques (e.g., sterile barrier filters, disposable sterile doc connectors). The use of single-use technologies (SUTs) further assists closure of the system by providing enhanced protection outside of a clean room or biosafety cabinet. SUTs include plastic single-use bags, bioreactors, tubing, filter capsules, and connectors, making them compatible with closed system techniques. An important consideration when using SUTs is compatibility of all parts, particularly the connections between bags and tubing. If tubing sizes and bags are mismatched, connections can still be made, but will require aseptic joining in a laminar flow hood.
The importance of closed processes and SUT
Contamination in bioprocessing is costly. It results not only in product loss, but can also lead to facility shutdown for cleaning and validation. According to the FDA, for aseptic processing of cell therapy products, “Cellular therapy… represents a subset of the products that cannot be filter-sterilized… Where possible, closed systems should be used during manufacturing”. Closing the system significantly reduces risk of contamination by viral, bacterial, or other adventitious agents. In addition, closed systems may be placed in a controlled but non-classified environment, which could improve manufacturing flexibility (e.g., reducing the facility footprint or reducing the amount of segregation in a facility). In addition, equipment and personnel can be moved around more easily to meet production needs. These simpler designs enable manufacturing suites that are easily duplicated at multiple sites. Combined with SUT, closed systems can greatly reduce processing time including cleaning, setup, and batch turnaround times. Moreover, cost of goods will be significantly lower due to reduced operating costs, which can include labor costs, energy costs for environmental monitoring and air handling, costs to grow the material, as well as facility costs. The importance of automation in GMP manufacturing To further improve manufacturing costs, cell therapy manufacturers will look into automating most of the manual steps in the process. Automation is not restricted to production; it can also be expanded to include analytical steps such as offline or inline process analytical technology (PAT). Implementation of automation is critical for large-scale cGMP manufacturing. The EMA suggests that “The use of automated equipment may ease compliance with certain GMP requirements and may also bring certain advantages in respect to product’s quality”[. Automation would improve operator safety, reduce human errors, and enable processing robustness and reproducibility. Automated systems can simplify operations overall. Manual procedures that have multiple steps or require multiple operators can be combined within a single machine with a single operator, reducing the product turnover time and the number of personnel required in the operation space. As a result, facility production capacity will increase. The overall cost of goods for similar quantities of cell therapy products will significantly decrease.
Existing closed automation systems in cell therapy manufacturing
Several steps in patient-specific cell-based therapy development (e.g., CAR T) can be implemented using an automated, closed system: cell isolation, expansion, processing, and formulation. Two categories exist based on the degree of automation :
1. Integrated closed system
2. Modular closed system Integrated closed systems are fully automated.
They
are all-in-one, easy-to-use, and designed as an endto-end, one-patient-at-a-time solution. Once employed,
the integrated closed instruments will be dedicated to
producing a specific patient’s cell product for a certain
period of time (usually 1-2 weeks). This approach refers
to the automation and closure of a single machine for a
specific patient or purpose and integrates several steps into
a complete workflow.
Modular closed systems are more versatile, with each
instrument primarily optimized for a single step. This
approach does not restrict bioprocessing companies to a
single supplier—they can choose instruments that are best
suited for individual steps in the process. More importantly,
manufacturers have the flexibility to develop new processes
using existing instrumentation as needed. For example, one
can use the Rotea™ (a closed counter-elutriation system
offered by Thermo Fisher Scientific) to isolate PBMC/CD3
T cells, and the G-Rex system to expand the T/CAR T cells
(a Wilson Wolf culture expansion system) (see the white
paper on this topic). It summarizes some current
cell processing automated systems and their parameters.
Digital integration of the CAR T cell therapy manufacturing workflow
Software-driven, digital integration plays an essential role to support full automation across the entire cell therapy manufacturing workflow. Digital integration can improve manufacturing productivity and process control by monitoring the entire workflow starting from sourcing of raw materials through product delivery to the clinic. This tracking can ensure data integrity, traceability and regulatory compliance, plus aid in the scale up of the process. Ideally, a mature manufacturing environment would connect production (hardware and controllers), control layers (e.g., supervisory controls), and manufacturing execution systems (below Figure 1). Software tools can offer the ability to mine and analyze data from upstream and downstream batch records across batches for real-time optimization and troubleshooting. In current digital solutions for cell therapy manufacturing, the workflow is managed by connecting the instrument to a distributed control system (DCS). The DCS layer allows for scalable process optimization, workflow management, and data transferring across the entire workflow. Some software systems are more easily configured to DCS and manufacturing execution system (MES) than others.
Summary
Tremendous efforts have been made to make CAR T cell therapy more effective, safe, and persistent in treating patients. Yet, the manufacture of CAR T cells has been prone to errors, lot-to-lot variation, and contamination. These errors commonly result from the use of open processes with manual handling. Using closed automated systems that integrate the complicated, multistep CAR T workflow can easily overcome these challenges. The use of closed integrated systems improves consistency, purity, and safety while helping to lower overall manufacturing costs. These benefits can contribute to making cell therapies more affordable and accessible to patients in the future.
ENGLISH
Introduzione
La ricerca iniziale sulla tecnologia CAR T si basava su sistemi aperti manuali per lo sviluppo. Man mano che la tecnologia matura, i produttori di cellule CAR T sono continuamente alla ricerca di miglioramenti di processo che possano ridurre i costi complessivi. Stanno anche cercando miglioramenti che riducano la contaminazione, migliorino la coerenza da lotto a lotto e consentano il monitoraggio e l'acquisizione di informazioni critiche, che aiuteranno con l'ambiente normativo in continua evoluzione. A tal fine, i produttori di terapie cellulari CAR T si stanno rivolgendo a sistemi chiusi automatizzati con controlli software integrati per ottenere costi di produzione inferiori, mantenere la coerenza del prodotto e soddisfare i requisiti normativi.
Sistemi chiusi contro sistemi aperti per la produzione di terapie cellulari CAR T
Numerosi passaggi nei metodi per l'isolamento e l'espansione delle terapie con cellule CAR T hanno opzioni che possono essere eseguite utilizzando un sistema aperto o chiuso. Ad esempio, la centrifugazione in gradiente di densità per l'isolamento delle PBMC viene in genere eseguita utilizzando un sistema aperto e le boccette a T comunemente utilizzate per la crescita cellulare su scala di ricerca sono un sistema aperto. Tuttavia, i sistemi aperti possono esporre il prodotto per terapia cellulare all'ambiente di una stanza e richiedono una maggiore interazione dell'utente, come lavorare sotto una cappa a flusso d'aria laminare. Questi processi aperti tendono ad essere più laboriosi e possono occupare impronte più grandi, soprattutto quando si cerca di raggiungere una scala di produzione più ampia. Un'altra considerazione nell'utilizzo di sistemi aperti è la necessità di utilizzare un impianto di produzione di grado A o B, mentre un sistema chiuso può essere implementato in un impianto di grado C. La differenza nelle condizioni di produzione richieste per un sistema chiuso può ridurre notevolmente costi, manodopera e requisiti di spazio. Nelle impostazioni di ricerca, i processi aperti manuali possono essere la strada scelta. Tuttavia, questi metodi dovrebbero essere evitati nelle applicazioni cliniche e nella produzione finale di terapie cellulari a causa del maggiore rischio di contaminazione e della variabilità del prodotto da lotto a lotto, che possono ostacolare l'approvazione normativa e causare il fallimento del prodotto.
Secondo l'Agenzia europea per i medicinali (EMA), un sistema chiuso è "Un sistema di processo progettato e gestito in modo da evitare l'esposizione del prodotto o del materiale all'ambiente della stanza. I materiali possono essere introdotti in un sistema chiuso, ma l'aggiunta deve essere effettuata in modo tale da evitare l'esposizione del prodotto all'ambiente della stanza (ad es. mediante connettori sterili o sistemi di fusione)”. I sistemi possono essere chiusi utilizzando una varietà di dispositivi e tecniche (ad es. filtri di barriera sterili, connettori sterili monouso per documenti). L'uso di tecnologie monouso (SUT) aiuta ulteriormente la chiusura del sistema fornendo una protezione potenziata all'esterno di una camera bianca o di un armadio di biosicurezza. I SUT includono sacchetti di plastica monouso, bioreattori, tubi, capsule filtranti e connettori, rendendoli compatibili con le tecniche di sistema chiuso. Una considerazione importante quando si utilizzano i SUT è la compatibilità di tutte le parti, in particolare le connessioni tra borse e tubi. Se le dimensioni dei tubi e le sacche non corrispondono, è comunque possibile effettuare le connessioni, ma richiederà un'unione asettica in una cappa a flusso laminare.
L'importanza di processi chiusi e SUT
La contaminazione nel bioprocessing è costosa. Ne consegue non solo la perdita di prodotto, ma può anche portare alla chiusura dell'impianto per la pulizia e la convalida. Secondo la FDA, per il trattamento asettico dei prodotti per la terapia cellulare, "La terapia cellulare... rappresenta un sottoinsieme dei prodotti che non possono essere sterilizzati con filtro... Ove possibile, durante la produzione dovrebbero essere utilizzati sistemi chiusi". La chiusura del sistema riduce significativamente il rischio di contaminazione da agenti virali, batterici o altri agenti accidentali. Inoltre, i sistemi chiusi possono essere collocati in un ambiente controllato ma non classificato, il che potrebbe migliorare la flessibilità di produzione (ad esempio, riducendo l'impronta della struttura o riducendo la quantità di segregazione in una struttura). Inoltre, le attrezzature ed il personale possono essere spostati più facilmente per soddisfare le esigenze di produzione. Questi progetti più semplici consentono suite di produzione facilmente duplicabili in più siti. In combinazione con SUT, i sistemi chiusi possono ridurre notevolmente i tempi di elaborazione, inclusi i tempi di pulizia, configurazione e consegna dei lotti. Inoltre, il costo delle merci sarà notevolmente inferiore a causa della riduzione dei costi operativi, che possono includere i costi di manodopera, i costi energetici per il monitoraggio ambientale e il trattamento dell'aria, i costi per la crescita del materiale, nonché i costi degli impianti. L'importanza dell'automazione nella produzione di GMP Per migliorare ulteriormente i costi di produzione, i produttori di terapie cellulari cercheranno di automatizzare la maggior parte delle fasi manuali del processo. L'automazione non si limita alla produzione; può anche essere ampliato per includere fasi analitiche come la tecnologia analitica di processo (PAT) offline o inline. L'implementazione dell'automazione è fondamentale per la produzione cGMP su larga scala. L'EMA suggerisce che "l'uso di apparecchiature automatizzate può facilitare il rispetto di determinati requisiti GMP e può anche portare alcuni vantaggi rispetto alla qualità del prodotto"[. L'automazione migliorerebbe la sicurezza dell'operatore, ridurrebbe gli errori umani e consentirebbe la robustezza e la riproducibilità dell'elaborazione. I sistemi automatizzati possono semplificare le operazioni in generale. Le procedure manuali che prevedono più passaggi o richiedono più operatori possono essere combinate all'interno di un'unica macchina con un solo operatore, riducendo il tempo di rotazione del prodotto e il numero di personale necessario nello spazio operativo. Di conseguenza, la capacità di produzione dell'impianto aumenterà. Il costo complessivo delle merci per quantità simili di prodotti per la terapia cellulare diminuirà in modo significativo.
Sistemi di automazione chiusi esistenti nella produzione di terapie cellulari
Diverse fasi nello sviluppo della terapia cellulare specifica per il paziente (ad es. CAR T) possono essere implementate utilizzando un sistema chiuso automatizzato: isolamento cellulare, espansione, elaborazione e formulazione. Esistono due categorie in base al grado di automazione:
1. Sistema chiuso integrato
2. Sistema chiuso modulare
I sistemi chiusi integrati sono completamente automatizzati.
Sono all-in-one, facili da usare e progettati come una soluzione end-to-end, un paziente alla volta. Una volta impiegati, gli strumenti chiusi integrati saranno dedicati alla produzione di un prodotto cellulare specifico del paziente per un certo periodo di tempo (di solito 1-2 settimane). Questo approccio si riferisce all'automazione e alla chiusura di una singola macchina per un paziente o uno scopo specifico ed integra diversi passaggi in un flusso di lavoro completo.
I sistemi chiusi modulari sono più versatili, con ogni strumento ottimizzato principalmente per un singolo passaggio. Questo approccio non limita le aziende di biotrattamento ad un unico fornitore: possono scegliere gli strumenti più adatti alle singole fasi del processo. Ancora più importante, i produttori hanno la flessibilità di sviluppare nuovi processi utilizzando la strumentazione esistente secondo necessità. Ad esempio, si può utilizzare il Rotea™ (un sistema di controelutriazione chiuso offerto da Thermo Fisher Scientific) per isolare i linfociti T PBMC/CD3 e il sistema G-Rex per espandere i linfociti T/CAR T (un'espansione della coltura di Wilson Wolf sistema) (consultare il white paper su questo argomento). Riepiloga alcuni attuali sistemi automatizzati di elaborazione cellulare e i loro parametri.
Integrazione digitale del flusso di lavoro di produzione della terapia cellulare CAR T
L'integrazione digitale basata su software gioca un ruolo essenziale per supportare l'automazione completa nell'intero flusso di lavoro di produzione della terapia cellulare. L'integrazione digitale può migliorare la produttività di produzione ed il controllo dei processi monitorando l'intero flusso di lavoro a partire dall'approvvigionamento delle materie prime fino alla consegna del prodotto alla clinica. Questo monitoraggio può garantire l'integrità dei dati, la tracciabilità e la conformità normativa, oltre a favorire l'aumento della scalabilità del processo. Idealmente, un ambiente di produzione maturo collegherebbe la produzione (hardware e controller), i livelli di controllo (ad esempio, i controlli di supervisione) ed i sistemi di esecuzione della produzione (sotto la Figura 1). Gli strumenti software possono offrire la possibilità di estrarre e analizzare i dati dai record batch a monte ea valle tra i batch per l'ottimizzazione e la risoluzione dei problemi in tempo reale. Nelle attuali soluzioni digitali per la produzione di terapie cellulari, il flusso di lavoro è gestito collegando lo strumento a un sistema di controllo distribuito (DCS). Il livello DCS consente l'ottimizzazione scalabile del processo, la gestione del flusso di lavoro e il trasferimento dei dati nell'intero flusso di lavoro. Alcuni sistemi software sono più facilmente configurabili per DCS e Manufacturing Execution System (MES) rispetto ad altri.
Riepilogo
Sono stati compiuti sforzi enormi per rendere la terapia con cellule CAR T più efficace, sicura e persistente nel trattamento dei pazienti. Tuttavia, la produzione di cellule CAR T è stata soggetta a errori, variazioni da lotto a lotto e contaminazione. Questi errori derivano comunemente dall'uso di processi aperti con gestione manuale. L'uso di sistemi automatizzati chiusi che integrano il complicato flusso di lavoro CAR T multifase può facilmente superare queste sfide. L'uso di sistemi integrati chiusi migliora l'uniformità, la purezza e la sicurezza, contribuendo a ridurre i costi complessivi di produzione. Questi vantaggi possono contribuire a rendere le terapie cellulari più convenienti e accessibili ai pazienti in futuro.
Da:
https://547446.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/547446/Technology%20Networks/Landing%20Pages/Thermo/Mariskka/2022%20SQL%20Campaign/cell-therapy-handbook-thermo-fisher-1.pdf?__hstc=8807082.074aceb79027e793890018c0152531d2.1643566337753.1662305877070.1662328034545.108&__hssc=8807082.1.1662328034545&__hsfp=1418904915&hsCtaTracking=5ecb48c7-b247-4faf-be12-b0ce69caca78%7Ce6d6986c-d41a-473f-ba60-61a59c5d0605
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