Produzione industriale di biofarmaci attraverso tecniche di sintesi enzimatica e di purificazione mediante processi sostenibili in continuo con recupero del waste e impiego di solventi green

I biofarmaci sono medicinali biotecnologici di nuova generazione che imitano l’azione dei meccanismi molecolari negli organismi viventi. Negli ultimi anni la produzione di biofarmaci a partire da biomolecole come i peptidi, proteine e oligonucleotidi ha ricevuto un grande interesse da parte della comunità scientifica grazie alla loro elevata specificità nei confronti di una molecola o recettore target che li rende quindi molto efficaci anche a basse concentrazioni. [1] Inoltre, dal momento che molti di essi sono biomolecole endogene, la loro assunzione provoca un minor numero di effetti collaterali rispetto ai comuni farmaci tradizionali di sintesi. I biofarmaci trovano attualmente impiego come anticoagulanti, antiossidanti e antiipertensivi, vaccini, e nell’ultimo decennio, il loro utilizzo per malattie quali cancro, HIV, AIDS ed anche COVID-19 ha consentito una netta diminuzione del numero di decessi. In aggiunta, i biofarmaci hanno permesso un apprezzabile potenziamento nel trattamento di diverse patologie croniche, come le malattie metaboliche (ad esempio il diabete) e quelle a danno dell’apparato cardiovascolare. La produzione di biofarmaci a livello industriale avviene mediante un workflow che comprende una prima parte di sintesi (processo di upstream) che è diversa a seconda del biofarmaco target. Ad esempio, nel caso dei peptidi avviene generalmente mediante sintesi in fase solida [2], mentre nel caso di proteine si utilizzano bioreattori. Tuttavia, tutti questi approcci portano alla produzione di una serie di impurezze oltre alla biomolecola target, le quali, ovviamente, devono essere rimosse prima della formulazione finale.

A questo scopo, dopo la fase di upstream, segue un processo di purificazione (o downstream) che consta di uno o più step di rimozione delle impurezze mediante cromatografia liquida preparativa. Il primo step è generalmente di “cattura” (capture) del target mediante cromatografia d’affinità per rimuovere tutte le cosiddette process-related impurities, ossia quelle impurezze che sono chimicamente diverse dal target quali DNA, host[1]cell proteins, etc. Gli step di purificazione successivi (detti di polishing) sono più complicati e servono per rimuovere le product-related impurities, che invece sono molecole con proprietà chimico-fisiche molto simili a quelle del target (aggregati, dimeri, trimeri, diastereoisomeri, etc) e che, dunque, tenderanno a non essere separate dalla molecola di interesse durante il processo cromatografico.

[3] Il crescente bisogno di rendere più sostenibili i processi industriali sta iniziando ad interessare anche il campo (bio)farmaceutico. In questo ambito, ancora oggi vengono utilizzati metodi di produzione che sono stati generalmente sviluppati in un’era in cui il profitto e la produzione high[1]throughput erano lo scopo principale e temi quali sostenibilità e preservazione dell’ambiente non erano una priorità. Il paradigma oggi sta rapidamente cambiando: c’è una forte tendenza alla ricerca di metodi di sintesi più sostenibili che non prevedano l’utilizzo di sostanze tossiche o pericolose per l’ambiente e per la salute umana (ad esempio acido trifluoroacetico, TFA, largamente impiegato per il cleavage dei peptidi durante la sintesi in fase solida). D’altro canto, anche le tecniche di purificazione richiedono particolare attenzione; in particolare il processo di polishing avviene generalmente in condizioni di cromatografia liquida a fase inversa con l’utilizzo di elevati volumi di acetonitrile che per le biomolecole risulta essere il solvente con il miglior potere eluente ma è poco sostenibile.

BIBLIOGRAFIA
[1] De Luca, C., Felletti, S., Lievore, G. et al., From batch to continuous chromatographic purification of a therapeutic peptide through multicolumn countercurrent solvent gradient purification, J. Chromatogr. A, 2020
[2] De Luca, C., Felletti, S., Bozza, D., et al., Process Intensification for the Purification of Peptidomimetics: The Case of Icatibant through Multicolumn Countercurrent Solvent Gradient Purification (MCSGP), Ind. Eng. Chem. Res., 2021, 60, 6826-6834
[3] De Luca, C., Felletti, S., Lievore, G. et al., Modern trends in downstream processing of biotherapeutics through continuous chromatography: The potential of Multicolumn Countercurrent Solvent Gradient Purification, TrAC, 2020, 132, 116051

Chromacon/YMC - Zurigo, Svizzera

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.6.1: Green technologies
Articolazione 1: Biochemicals, bioprodotti e processi chimici sostenibili in sinergia con
biofuels, bioenergy e agroenergie
5.1.2: Tecnologie farmaceutiche e farmacologiche
Articolazione 3: Ricerca di nuove molecole attive su agenti infettivi e sviluppo di anticorpi
monoclonali e vaccini
Articolazione 6: Implementazione del processo di drug discovery
5.1.3: Biotecnologie
Articolazione 5: Biotecnologie microbiche

Lo scopo di questo progetto di ricerca è lo sviluppo di nuovi workflow a basso impatto ambientale per la produzione di biofarmaci di diversa natura. Da un lato si cercherà di implementare la parte di upstream, migliorando i metodi più utilizzati per la produzione dei biofarmaci in studio o impiegando metodi basati sulla sintesi enzimatica, che solitamente avviene in solvente acquoso e quindi andando a ridurre anche il consumo di solvente. In più, particolare attenzione verrà posta sulla parte di purificazione (downstream), la quale ad oggi risulta essere la fase limitante dell’intero processo sia in termini di resa sia in termini di impatto ambientale, poiché solitamente vengono impiegati grandi volumi di solvente organico.

Da questo punto di vista verranno quindi utilizzate tecniche di cromatografia continua countercurrent che consentono il riciclo delle frazioni di scarto (waste) all’interno del sistema. Questo approccio permette non solo di aumentare la resa del processo di downstream ma anche di automatizzarlo e soprattutto di ridurre notevolmente il consumo di solvente con conseguente miglioramento della sostenibilità del processo.

Infine, per ridurre l’utilizzo dei solventi tradizionalmente impiegati ma poco ecosostenibili, si testeranno solventi alternativi più green andandone a valutare le perfomance rispetto a quelli comunemente utilizzati.

• Biofarmaci
• Downstream processing
• Purificazione in continuo
• Cromatografia liquida preparativa
• Solventi green