Diante das limitações da produção de vacinas à base de ovos, os pesquisadores se voltaram para outras abordagens

As vacinas são produtos biológicos para fornecer imunidade, geralmente contra doenças infecciosas, como a causada pelo novo coronavírus (SARS-CoV-2). Uma vacina geralmente contém partes de um microrganismo causador de doenças, como proteínas de superfície ou um microrganismo enfraquecido (atenuado) ou morto. Esses agentes biológicos estimulam o sistema imunológico adaptativo do corpo a reconhecê-los como ameaças, de modo que o corpo possa destruir o microrganismo real que encontrar no futuro.

Um dos pais das vacinas é Edward Jenner, um médico inglês, que observou que os trabalhadores de laticínios foram amplamente poupados da varíola fatal e desfigurante por causa de sua exposição contínua a um vírus semelhante em vacas. Essa descoberta formou a base científica do uso da vacinação para prevenir a varíola e, posteriormente, outras doenças infecciosas, como a gripe.

A maioria das nossas vacinas são produzidas a partir de ovos de galinha. Os vírus da vacina candidata são injetados em ovos de galinha fertilizados e permitidos para replicar. Depois disso, os vírus são colhidos dos fluidos dos ovos, purificados e prontos para uso. No entanto, este método tem enormes limitações em termos de escalabilidade, pegada ambiental e potência de vacinação. Cada ovo de galinha fertilizado pode produzir apenas aproximadamente 100-300 doses de vacina e esses ovos devem vir de galinhas especiais livres de patógenos. Em tempos como a pandemia do COVID-19, essa abordagem provavelmente não atenderá aos aumentos na demanda global por vacinas. Um estudo de 2017também sugeriram que as cepas de vírus de vacina à base de ovo podem evoluir de cepas humanas para aquelas que funcionam melhor em galinhas. Os autores concluíram que as mudanças antigênicas dependentes do ovo podem explicar por que a eficácia da vacina durante a temporada de gripe de 2016-17 foi baixa.

Produção de vacina baseada em células

Diante das limitações da produção de vacinas à base de ovos, os pesquisadores se voltaram para outras abordagens e, em 2012 , a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA aprovou pela primeira vez o uso de células para a produção de vacinas. Em vez de ovos de galinha, os vírus da vacina candidata são injetados em células de mamíferos cultivadas. O vírus então sequestra a maquinaria da célula para replicar muitas cópias de si mesmo. Os vírus são finalmente purificados a partir de extratos do citoplasma celular. Em 2013 , o FDA passou a aprovar a cultura de vírus de engenharia sintética em células para a produção de vacinas recombinantes.

Existem vários benefícios do uso de células de mamíferos para a produção de vacinas. Por exemplo, ao contrário dos métodos baseados em ovos, os vírus cultivados em células de mamíferos provavelmente retêm mutações que lhes conferem vantagem na infecção de células humanas. Isso os torna mais compatíveis antigenicamente e úteis como vacinas humanas. Além disso, a qualidade das células de mamíferos pode ser monitorada de forma mais consistente usando tecnologias biomédicas modernas, ao contrário dos ovos. Ter células de qualidade é importante para garantir que os vírus possam se replicar eficientemente para um alto rendimento de vacina.

Biorreatores para apoiar a fabricação de vacinas

Passar do método tradicional à base de ovo, do qual dependemos desde o início da década de 1940, para a fabricação de vacinas à base de células de mamíferos tem seus desafios. Como resultado, o projeto do biorreator evoluiu para atender aos requisitos técnicos para a fabricação de vacinas, e várias empresas desenvolveram produtos e fluxos de trabalho inovadores.

Biorreatores de sistema fechado

Em qualquer sistema biológico, há sempre o risco de contaminação, o que pode afetar negativamente a qualidade e, mais importante, a segurança dos produtos. Muitos biorreatores agora oferecem operação em sistema fechado em oposição aos biorreatores convencionais de sistema aberto, para garantir a esterilidade de seu conteúdo. Oxigênio e nutrientes podem ser introduzidos na cultura enquanto resíduos como extratos celulares podem ser removidos da cultura através de tubos filtrados. Em comparação com os equivalentes de sistema aberto, os biorreatores de sistema fechado reduzem os riscos de respingos de fluido e transferência acidental de contaminantes do ambiente externo para os biorreatores e protegem melhor os operadores. Eles também diminuem o tempo de inatividade da máquina, levando a economia de custos.

Biorreatores de uso único

À medida que os fabricantes de vacinas avançam para uma produção mais flexível e ágil, os biorreatores de saco plástico descartável de uso único também estão se tornando mais populares em comparação aos biorreatores de aço inoxidável multiuso, especialmente na fase inicial de testes. Isso ocorre porque os biorreatores de uso único geralmente são um investimento mais barato e estão disponíveis em volumes menores, permitindo que os fabricantes testem diferentes linhas celulares e condições de crescimento rapidamente e a um custo menor para otimizar a produção de vacinas. É importante ressaltar que, como os fabricantes também podem estar testando e produzindo vacinas humanas e animais ao mesmo tempo, os biorreatores de uso único podem minimizar a potencial contaminação cruzada.

Detecção automática

Outro aspecto importante do uso de biorreatores para biofabricação é o sensoriamento. Para alcançar alto rendimento, as células de mamíferos hospedeiros devem ser saudáveis ​​para suportar a replicação do vírus. As células, sendo agentes biológicos, são altamente sensíveis ao seu ambiente. Ter bons sensores químicos medindo temperatura, oxigênio, pH, nutrientes como glicose e aminoácidos e resíduos celulares é, portanto, crucial. Os sensores são geralmente mais confiáveis ​​em biorreatores multiuso do que em biorreatores de uso único. Isso ocorre porque eletrodos de pH caros e mais precisos geralmente não são incorporados em bolsas descartáveis ​​de biorreator de uso único. Para minimizar o custo por uso, levando em consideração o processo de montagem e entrega do achatamento do saco, os biorreatores de uso único normalmente usam métodos não invasivos, como detecção de ondas eletromagnéticas com etiquetas de identificação por radiofrequência,

Atenuar o estresse mecânico

Além de serem sensíveis ao seu ambiente químico, as células também são afetadas por forças mecânicas em seu ambiente. Um artigo anterior do Lab Managerdiscute como as células que crescem no fundo de biorreatores estáticos experimentam mais pressão hidrostática, o que pode afetar seu crescimento. Além disso, o estresse de cisalhamento excessivo do fluido em um biorreator de tanque agitado também pode afetar negativamente as funções celulares. Para otimizar as tensões mecânicas e fornecer agitação suficiente para distribuição uniforme de nutrientes, as empresas introduziram novos projetos, como biorreatores oscilantes. Para células de mamíferos aderentes, microtransportadores - geralmente esferas poliméricas - também estão sendo usados ​​para cultivar essas células em biorreatores para otimizar o uso do espaço, maximizar a área de superfície em relação ao volume para promover o crescimento celular e reduzir tensões mecânicas desnecessárias.

A crescente popularidade no uso de células de mamíferos para a produção de vacinas provavelmente aumentará o uso de biorreatores. Isso, juntamente com os desenvolvimentos em terapia com células-tronco e células imunes, promoverá maiores inovações em projetos de biorreatores para atender a várias necessidades na fabricação de células. Um desafio para os fabricantes de vacinas e biorreatores é equilibrar a escalabilidade e a flexibilidade, de modo que as empresas possam produzir e testar rapidamente a eficácia clínica de várias vacinas e, uma vez escolhida a vacina candidata, a produção pode ser acelerada rapidamente e em grande escala. Para alcançar esse equilíbrio, são necessários bons modelos quantitativos para saber como cada condição química e física afeta as atividades das células em biorreatores quando são ampliadas e reduzidas. Isso requer pesquisadores de diferentes origens (por exemplo, biólogos).