| صنایع |

بهینه سازی متعادل Upstream و Downstream

بهینه سازی متعادل Upstream و Downstream
ریحانه کیا
نویسنده ریحانه کیا

🧬مبحث: بیوتکنولوژی

📝مقاله قبلی: در تاسیسات بانک سلولی چه می‌گذرد؟

📝مقاله بعدی: معرفی انواع بیوراکتورها برای کشت سلول‌های معلق و چسبنده

💻مدرسه تکمیلی: مدرسه مقدماتی و پیشرفته بیوتکنولوژی

🖊شماره مقاله: 13

پروسه تولید مثل یک رود جاری است که یک بالادست و یک پایین دست هماهنگ دارد تا بتوانیم از مواد اولیه به یک محصول قابل عرضه برسیم.

همانطور که یک آشپز باید تمام مراحل پخت غذایش را بداند، هر کسی هم که فکر ورود به صنعت بیوتکنولوژی را دارد باید از به خوبی با مراحل و فرآیندهای upstream و downstream آشنا باشد.

در این مقاله قرار است به این سوالات پاسخ دهیم:

⁉️ Upstream و Downstream چیست و چه مراحلی دارد؟

⁉️ چه روش‌هایی برای جداسازی در downstream داریم؟

⁉️ چطور باید فرآیندهای بالادست و پایین‌ دست را بهینه کنیم؟

Upstream: جریان زنده

فرآیندهای بالا دست یا upstream شامل مراحل قبل  از خالص سازی است. از بانک سلول و مواد اولیه تهیه محیط کشت گرفته تا پاساژ دادن و رشد سلول‌های نوترکیب در بایوراکتورها همه اجزا upstream کارخانه‌های بیوتک هستند.

برای هر دست تولید، یک ویال از بانک سلولی خارج می‌شود و طی چند مرحله پاساژ داده می‌شود تا به تراکم لازم برای بیوراکتور برسد. آنگاه برای مدتی در بیوراکتور برای ما محصول تولید می‌کند. تا وقتی که در حال تولید محصول باشیم، در فرآیندهای بالادست هستیم.

می‌توانید فلوچارت مراحل upstream را در شکل زیر ببینید:

فلوچارت مراحل upstream

هر تصمیم اشتباه در مراحل اولیه یا تکنیک ضعیف در اجرا می‌تواند در زمان جمع‌آوری محصول برای ما دردسر درست کند. بهبود تصمیم‌گیری و اجرا باعث می‌شود در تله‌های تولید مثل تجمع آمونیوم یا لاکتات، ناپایداری زیستی و... که بر تقسیم سلول و تولید محصول ما اثر منفی دارند، نیفتیم.

بهتر کردن محیط کشت می‌تواند اثر خوبی بر رشد و تولید پروتئین‌های هدف شما داشته باشد. آلودگی یکی از دلایل اصلی از بین رفتن محصولات بالادست است که می‌توان با استفاده از محیط کشت بدون سرم، از آن جلوگیری کرد.

طرح و بهینه‌سازی یک محیط کشت متناسب با رده سلولی مورد استفاده شما هزینه و وقت زیادی می‌گیرد اما قدرت افزایش مقیاس شما را بیشتر می‌کند و می‌تواند ارزش وقت و هزینه صرف شده را داشته باشد.

جدا از تهیه یک رده سلولی و محیط کشت خوب، بهتر کردن طراحی بیوراکتورها و سیستم‌های برداشت راه دیگری را برای تولید بهتر پیش روی ما قرار می‌دهند. راکتورهای زیستی یکبار مصرف گزینه خوبی برای افزایش سازگاری خط لوله و کاهش هزینه‌های اولیه هستند.

مراحل بالادستی صنعت بیوتک upstream

اگر تولیدکننده‌ای تعداد زیادی عوامل درمانی را با پروسه‌های مشابه تولید کند، می‌تواند از یک سیستم برداشت عمومی استفاده کند. این سیستم‌ها چندین ابزار برای انجام فرآیندهای upstream مثل فیلتراسیون عمقی، سانتریفیوژ و ...دارند.

Downstream: جریان پاک کننده

وقتی فرآیند بالادست تمام شود به یک مخلوط از سلول‌های مرده و زنده، پروتئین‌های هدف ما، مواد شیمیایی محیط‌کشت و دیگر تولیدات سلولی می‌رسیم. برای اینکه به محصول قابل عرضه برسیم باید به نوعی پروتئین مطلوبمان را جدا کنیم.

در downstream هدف تامین خلوص و کیفیت در پردازش می‌باشد.

مراحل پردازش در پایین دست

اول از هر چیز با استفاده از سانتریفیوژ یا اولتراسانتریفیوژ، محیط‌کشت و سلول‌ها از هم جدا می‌شوند. حال با توجه به اینکه محصول شما هنوز در سلول میزبان است یا محیط، یکی را نگه می‌دارید.

اگر محصول شما در سلول است باید یک اختلال ایجاد کنید تا بتوانید محصولتان را آزاد کنید. بعد از آنکه محصول آزاد شد با استفاده از فیلتراسیون یا سانتریفیوژ می‌توانید بقایای سلول را جدا کرده و دور بریزید.

اگر محصولتان در محیط‌کشت بود، باید محیط را غلیظ کنید تا به ادامه فرآیند برسیم. اگر مقدار کمی از محصول در محیط بزرگی قرار دارد، می‌توانید آب اضافه را با خلا یا اسمز معکوس حذف کنید.

نوبت تصفیه رسیده است. با توجه به خواص فیزیکو-شیمیایی محصولتان باید روش‌هایی مثل رسوب‌گیری و... را انتخاب کنید تا طی مراحلی به خلوص مورد نیاز برسید.

در بخش آخر باید خلوص محصول به 98 تا 100% برسد، فیلتر استریل شود تا برای فرمولاسیون و بسته‌بندی برود.

فرایندهای جداسازی پر کاربرد

تکنیک جداسازی

حالت / اصل

اساس جداسازی

جداسازی غشایی

میکروفیلتراسیون

اولترافیلتراسیون

دیالیز

اندازه

اندازه

اندازه

سانتریفیوژ

باند  Isopycnic

نشست غیر تعادلی

چگالی

چگالی

استخراج

استخراج مایعات

استخراج مایع / مایع

انحلال پذیری

پارتیشن ، تغییر در حلالیت

ته‌نشینی

رسوب‌گیری جز به جز

تغییر حلالیت

کروماتوگرافی

تبادل یونی

فیلتراسیون ژل

تمایل (Affinity)

برهم کنش آبگریز

جذب (Adsorption)

شارژ

اندازه

تعامل خاص لیگاند و بستر

آبگریزی

اتصال کووالانسی/غیرکوالانسی

در بهینه‌سازی فرآیندهای بالادست هدف محافظت و بیشتر و بهتر تولید کردن پروتئین بیولوژیک بود اما در فرآیندهای پایین دستی، هدف افزایش خلوص و تولید نهایی است. روش های مختلفی برای ارتقا downstream وجود دارد، از جمله تکنیک‌های فیلتر کردن و تصفیه، پروتکل‌های با توان بالا و...

پس از برداشت، جداسازی کروماتوگرافی یک انتخاب عالی برای پردازش و جداسازی پیشرفته داروهای هدف از محیط‌کشت است. الویت داشتن این روش به خاطر قدرت انتخابی دقیق آن به نسبت روش‌های دیگر فیلتراسیون است.

به طور معمول باید قبل و بعد از جداسازی، بافر را عوض کنیم اما در جداسازی کروماتوگرافی توانایی تغییر شرایط شست و شو را داریم و دیگر نیازی به تعویض بافر نیست. همچنین تولیدکننده‌ها می‌توانند ماتریس و لیگاندهای کروماتوگرافی را به نفع فرآیند خود تغییر دهند.

کروماتوگرافی به کنار، انواعی از غشا هستند که بر اساس وزن مولکولی اجزا ناخواسته را جدا می‌کنند. حتی بهتر، غشاهای میکروفیلتری وجود دارند که می‌توانند بر اساس خواص شیمیایی مواد را فیلتر کنند.

تبلور هم یک راه برای جداسازی است اما هنوز در مرحله آزمایش است و به سیستم‌های downstream وارد نشده است.

کروماتوگرافی تمایلی برای خالص‌سازی واکسن‌های کووید 19

بخش طراحی و توسعه تکنولوژی صنعتی هم در پاندمی پر کار بوده اند و تکنولوژی‌های جدید را به بازار آورده اند. Navigo Proteins و  Repligen لیگاند تمایلی را طراحی کرده اند که پروتئین اسپایک SARS-CoV‑2 را هدف می‌گیرد. آن‌ها می‌خواهند یک سیستم کروماتوگرافی تمایلی با جذب سریع و خلوص بالا ایجاد کنند تا زمان پردازش کاهش یابد و عملکرد در هنگام تولید واکسن های COVID-19 بهبود یابد. در حال حاضر NGL COVID-19 Spike Protein Affinity Resin راه‌اندازی تجاری را آغاز کرده است.

کروماتوگرافی تمایلی برای کووید 19

دکتر Henning Afflerbach ، مدیر عامل شرکت Navigo Proteins ، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت:

"این تلاش مشترک ادامه منطقی سفر ما برای توسعه راه‌حل‌های تصفیه برای پردازش پایین دستی بیو دارو است. فناوری کروماتوگرافی میل ترکیبی ما یک راه حل برای رسیدگی به نیازهای نظارتی و ظرفیت روزافزون کل صنعت تولید بیو دارو، از جمله واکسن است."

هماهنگی، همه چیز است!

تا اینجا با یک سری راه برای بهینه کردن هر یک از فرآیندهای upstream و downstream آشنا شدیم اما باید به یک نکته خیلی مهم توجه کنید. همانطور که در یک رود نمی‌توان جریان را متوقف کرد و یا در ظرفیت بالادست و پایین دست رود متفاوت باشد، در یک کارخانه هم همین مسئله را داریم.

برای اینکه یک خط تولید به خوبی کار کند، هر دو بخش باید هماهنگ باشند و با یک ظرفیت و توان کار کنند.

اگر شما فقط upstream را تقویت کنید و downstream توان خالص سازی محصول را نداشته باشد، انرژی و هزینه صرف شده به هدر رفته و حتی تبدیل به ضرر می‌شود.

برعکس داستان هم صدق می‌کند، اگر downstream قوی داشته باشید اما محصول کافی برای خالص کردن نداشته باشید، ظرفیت‌های خود را هدر داده اید.

Pratik Jaluria، مدیر اجرایی توسعه فرآیند و ساخت در Adverum Biotechnologies می‌گوید:

"اگر شما فرایند تولید را به عنوان یک زنجیره بلوک متصل بهم تصور کنید که هر بلوک نماینده یک واحد خاص است، تغییر در هر بلوک یا مجموعه‌ای از بلوک‌ها می‌تواند عواقب پایدار و غیر قابل پیش‌بینی برای بلوک‌های پایین زنجیره داشته باشد. از این لحاظ، فرایندهای بالادستی تأثیر قابل توجهی بر عملکرد فرایندهای پایین دست دارند. "

چیزی که اهمیت دارد ایجاد تعادل بین این دو بخش است. تیم‌های توسعه از همان ابتدا باید با هم به خوبی تعامل کنند تا بهبود بالادست در پایین‌دست اثر منفی نداشته باشد.

سوالاتی برای کشف مشکل عدم هماهنگی اپ استریم و دان استریم بیوتک

اگر downstream دچار مشکل شد، این سوالات را از upstream بپرسید:

  • آیا ماندگاری یا تیتر برداشت تغییر کرده است؟
  • آیا از مواد اولیه جدید استفاده شده است؟
  • آیا مشخصات کیفیت متفاوت است؟

بن هیوز، مدیر Global Tech Transfer Biologics پیشنهاد می‌کند که در فاز توسعه فرآیند، upstream باید نمونه‌هایی از مراحل مختلفش ارائه دهد تا downstream مشخص کند تا کجا می‌تواند خلوص مناسب را برای محصول ایجاد کند. هرچه مراحل بالادست طولانی شوند، مواد ناخواسته بیشتر می‌شوند و خالص سازی مشکل می‌شود.

در آخر

با فرآیند بالادست و پایین‌دست، مراحل هر یک و بهینه‌سازی آشنا شدیم. فهمیدیم کلید موفقیت هماهنگی این دو بخش است و نباید هیچ یک را به تنهایی قوی کرد بلکه مثل خطوط موازی باید در کنار هم جلو روند تا خط تولید مناسبی داشته باشیم.

یادگیری در مورد این فرآیندها متوقف نمی‌شود و باید همیشه تکنولوژی‌ها و روش‌های جدید این حوزه را دنبال کرد تا راه‌حل‌های بهتری برای مسیر پیدا شود و خطا را کم کنیم.

اگر به صنعت و بیوتکنولوژی علاقه دارید مدرسه تخصصی صنعت بیوتکنولوژی را از دست ندهید.

درباره نویسنده

ریحانه کیا

ریحانه کیا

ریحانه هستم؛ دانشجوی رشته داروسازی دانشگاه علوم پزشکی تهران و دارنده مدال برنز المپیاد شیمی. معمولا مسائل را از زوایای مختلف بررسی و سعی می کنم به دیدی چندجانبه برسم تا افراد و مسائل را بهتر درک کنم. دوست دارم فراتر از مرز رشته تحصیلی ام قدم بگذارم و مطالب دیگری نیز یاد بگیرم. امیدوارم بتوانم آنچه را که یاد می گیرم، در عمل استفاده کنم.

0 نظر

ارسال نظر