Sản xuất dược phẩm sinh học (Biopharmaceutical Production)

Các loại Dược phẩm Sinh học

Dược phẩm sinh học bao gồm một phổ rộng các sản phẩm, trong đó có các loại chính như:

• Vắc-xin: Sản phẩm sinh học giúp kích thích hệ thống miễn dịch của cơ thể tạo ra sự bảo vệ chống lại các bệnh truyền nhiễm cụ thể.
• Kháng thể đơn dòng (Monoclonal Antibodies – mAbs): Các protein được thiết kế để nhận diện và liên kết đặc hiệu với các mục tiêu nhất định, như protein hoặc thụ thể trên bề mặt tế bào. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong điều trị ung thư, các bệnh tự miễn và nhiều bệnh lý khác.
• Protein tái tổ hợp: Được sản xuất thông qua công nghệ DNA tái tổ hợp, bao gồm các loại hormone quan trọng (ví dụ: insulin điều trị tiểu đường, hormone tăng trưởng), enzyme thiết yếu (ví dụ: yếu tố đông máu VIII cho bệnh nhân hemophilia), và các yếu tố tăng trưởng tế bào.
• Liệu pháp gen: Phương pháp điều trị tiên tiến sử dụng vật liệu di truyền (DNA hoặc RNA) để sửa đổi, thay thế hoặc bổ sung gen nhằm điều trị hoặc ngăn ngừa các bệnh di truyền và mắc phải.
• Liệu pháp tế bào: Sử dụng tế bào sống đã được biến đổi hoặc xử lý để điều trị bệnh. Một ví dụ điển hình là liệu pháp tế bào CAR-T (Chimeric Antigen Receptor T-cell) trong điều trị một số loại ung thư máu.

Quy trình Sản xuất Dược phẩm Sinh học

Quy trình sản xuất dược phẩm sinh học là một chuỗi các bước phức tạp và được kiểm soát chặt chẽ, thường bao gồm các giai đoạn chính sau:

1. Lựa chọn và phát triển dòng tế bào (Cell Line Development): Bước đầu tiên là xác định và tối ưu hóa một dòng tế bào (ví dụ: tế bào CHO – Chinese Hamster Ovary, E. coli, nấm men) có khả năng biểu hiện hiệu quả protein hoặc sản phẩm sinh học mong muốn. Quá trình này bao gồm kỹ thuật di truyền để đưa gen mã hóa sản phẩm vào tế bào chủ và lựa chọn các dòng tế bào có năng suất và độ ổn định cao nhất.
2. Nuôi cấy tế bào (Cell Culture/Fermentation): Các dòng tế bào đã chọn được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng được kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, và các yếu tố khác để đảm bảo sự tăng trưởng tối ưu và sản xuất sản phẩm mục tiêu. Quá trình này diễn ra trong các thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor), từ quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm (vài mililit đến lít) đến quy mô sản xuất công nghiệp (hàng nghìn lít). Giai đoạn này còn được gọi là lên men nếu sử dụng vi sinh vật.
3. Thu hoạch (Harvesting): Sau khi quá trình nuôi cấy đạt đến mật độ tế bào hoặc nồng độ sản phẩm mong muốn, sản phẩm mục tiêu sẽ được tách ra khỏi tế bào và môi trường nuôi cấy. Tùy thuộc vào việc sản phẩm được tiết ra môi trường hay tích lũy bên trong tế bào, các phương pháp thu hoạch khác nhau (như ly tâm, lọc) sẽ được áp dụng.
4. Tinh sạch (Purification): Đây là giai đoạn quan trọng nhằm loại bỏ các tạp chất không mong muốn, bao gồm protein từ tế bào chủ (Host Cell Proteins – HCPs), DNA, RNA, endotoxin, virus và các thành phần môi trường nuôi cấy. Mục tiêu là thu được sản phẩm có độ tinh khiết cực cao, đáp ứng các tiêu chuẩn dược phẩm. Các kỹ thuật tinh sạch phổ biến bao gồm sắc ký (ví dụ: sắc ký ái lực, sắc ký trao đổi ion, sắc ký lọc gel), lọc (ví dụ: siêu lọc, lọc nano) và kết tủa. Quá trình này thường gồm nhiều bước tinh sạch khác nhau.
5. Pha chế, Đóng gói và Bảo quản (Formulation, Filling, and Storage): Sản phẩm tinh sạch sau đó được pha chế thành dạng dược phẩm cuối cùng (ví dụ: dung dịch tiêm) bằng cách bổ sung các tá dược ổn định. Dung dịch này sau đó được lọc vô trùng và đóng vào lọ hoặc ống tiêm trong điều kiện vô trùng nghiêm ngặt. Sản phẩm cuối cùng được bảo quản ở điều kiện nhiệt độ cụ thể (thường là lạnh hoặc đông lạnh) để duy trì hoạt tính sinh học và độ ổn định trong suốt thời hạn sử dụng.
6. Kiểm soát chất lượng (Quality Control – QC): Các thử nghiệm kiểm soát chất lượng được thực hiện xuyên suốt mọi giai đoạn của quy trình sản xuất, từ nguyên liệu đầu vào, kiểm soát trong quá trình (In-Process Controls – IPCs) đến thành phẩm cuối cùng. Các thử nghiệm này đảm bảo sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về nhận dạng, độ tinh khiết, hiệu lực, an toàn (ví dụ: kiểm tra nội độc tố, độ vô trùng) và độ ổn định.

Thách thức trong Sản xuất Dược phẩm Sinh học

Sản xuất dược phẩm sinh học đối mặt với nhiều thách thức đặc thù:

• Độ phức tạp của sản phẩm và quy trình: Bản chất của các phân tử sinh học (protein, kháng thể) là rất phức tạp, nhạy cảm với các thay đổi về điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, lực cơ học). Điều này đòi hỏi các quy trình sản xuất, tinh sạch và phân tích phức tạp, được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính nhất quán và chất lượng sản phẩm.
• Nguy cơ ô nhiễm: Do sử dụng hệ thống nuôi cấy sinh học, nguy cơ ô nhiễm bởi vi khuẩn, nấm men, mycoplasma, hoặc virus luôn hiện hữu ở mọi giai đoạn. Việc duy trì môi trường vô trùng và kiểm soát chặt chẽ là tối quan trọng để đảm bảo an toàn sản phẩm.
• Khả năng mở rộng quy mô (Scalability): Việc chuyển đổi một quy trình từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô sản xuất công nghiệp (scale-up) thường gặp nhiều khó khăn. Các yếu tố như động lực học chất lỏng, truyền khối, truyền nhiệt trong các bioreactor lớn cần được tính toán và tối ưu hóa cẩn thận để duy trì năng suất và chất lượng sản phẩm.
• Chi phí sản xuất cao: Việc đầu tư vào cơ sở hạ tầng hiện đại, thiết bị chuyên dụng (bioreactor, hệ thống sắc ký), môi trường nuôi cấy đắt tiền, quy trình tinh sạch nhiều bước và các yêu cầu kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt làm cho chi phí sản xuất dược phẩm sinh học thường cao hơn đáng kể so với dược phẩm hóa học truyền thống.
• Tính biến đổi của sản phẩm (Product Variability): Các hệ thống sinh học vốn có tính biến đổi. Ngay cả trong điều kiện được kiểm soát, có thể có những khác biệt nhỏ giữa các lô sản xuất (ví dụ: trong quá trình glycosyl hóa protein). Việc kiểm soát và chứng minh tính nhất quán giữa các lô là một thách thức lớn.

Tóm lại, sản xuất dược phẩm sinh học là một lĩnh vực quan trọng và đang phát triển nhanh chóng, đóng góp đáng kể vào việc cải thiện sức khỏe con người. Sự hiểu biết về quy trình sản xuất, thách thức, và xu hướng mới trong lĩnh vực này là rất quan trọng cho sự phát triển của các liệu pháp mới và hiệu quả hơn.

Tương lai của Sản xuất Dược phẩm Sinh học

Ngành sản xuất dược phẩm sinh học đang liên tục đổi mới với những tiến bộ vượt bậc trong các lĩnh vực như kỹ thuật di truyền, công nghệ tế bào, tự động hóa và khoa học phân tích. Các xu hướng chính định hình tương lai bao gồm:

• Sản xuất liên tục (Continuous Manufacturing): Thay vì sản xuất theo từng mẻ lớn (batch production), mô hình sản xuất liên tục cho phép dòng nguyên liệu chảy liên tục qua các bước xử lý tích hợp. Phương pháp này hứa hẹn tăng hiệu quả, giảm diện tích nhà xưởng, cải thiện tính nhất quán của sản phẩm và có khả năng giảm chi phí.
• Kỹ thuật tế bào và di truyền tiên tiến: Việc ứng dụng các công cụ chỉnh sửa gen mạnh mẽ như CRISPR-Cas9 và các kỹ thuật sinh học tổng hợp khác cho phép tạo ra các dòng tế bào sản xuất hiệu quả hơn, tạo ra các protein với đặc tính mong muốn (ví dụ: cải thiện độ ổn định, tăng hiệu lực) và phát triển các liệu pháp mới như liệu pháp gen và tế bào.
• Công nghệ phân tích quy trình (Process Analytical Technology – PAT): Việc tích hợp các công nghệ phân tích hiện đại trực tiếp vào dây chuyền sản xuất cho phép theo dõi và kiểm soát các thông số quan trọng của quy trình trong thời gian thực. Điều này giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm một cách chủ động, tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu sai sót.
• Sử dụng Trí tuệ nhân tạo (AI) và Học máy (Machine Learning): AI và ML đang được ứng dụng để tối ưu hóa thiết kế quy trình, dự đoán hiệu suất nuôi cấy, phân tích dữ liệu chất lượng phức tạp và đẩy nhanh quá trình phát triển dược phẩm sinh học.
• Cơ sở sản xuất linh hoạt và mô-đun hóa (Flexible and Modular Facilities): Xu hướng xây dựng các nhà máy có khả năng thích ứng nhanh chóng với việc sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau hoặc thay đổi quy mô sản xuất một cách linh hoạt đang ngày càng phổ biến.

Các hệ thống biểu hiện thường được sử dụng

Việc lựa chọn hệ thống biểu hiện (Expression System) phù hợp là một yếu tố then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, chất lượng và chi phí sản xuất dược phẩm sinh học. Mỗi hệ thống có những ưu và nhược điểm riêng:

• Vi khuẩn (chủ yếu là E. coli): Được ưa chuộng do dễ nuôi cấy, thời gian nhân đôi nhanh (tạo sinh khối nhanh), và chi phí sản xuất tương đối thấp. Tuy nhiên, một hạn chế lớn là E. coli không có khả năng thực hiện các biến đổi sau dịch mã phức tạp như glycosyl hóa theo kiểu của tế bào động vật có vú, điều này có thể ảnh hưởng đến hoạt tính và tính ổn định của một số protein trị liệu, đặc biệt là các kháng thể. Chúng cũng có thể tạo ra thể vùi (inclusion bodies) và nội độc tố (endotoxin) cần được loại bỏ kỹ lưỡng.
• Nấm men (ví dụ: Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris): Có khả năng thực hiện một số loại glycosyl hóa (mặc dù có thể khác với mô hình ở người), tương đối dễ nuôi cấy và mở rộng quy mô hơn so với tế bào động vật. Chúng kết hợp một số ưu điểm của vi khuẩn (tăng trưởng nhanh, chi phí vừa phải) và tế bào bậc cao.
• Tế bào động vật có vú (ví dụ: tế bào CHO – Chinese Hamster Ovary, HEK293, NS0): Là hệ thống được lựa chọn hàng đầu cho sản xuất các protein phức tạp như kháng thể đơn dòng. Ưu điểm lớn nhất là khả năng thực hiện các biến đổi sau dịch mã, đặc biệt là glycosyl hóa phức tạp, rất gần giống với protein tự nhiên của người, đảm bảo hoạt tính sinh học và giảm nguy cơ gây đáp ứng miễn dịch. Tuy nhiên, nhược điểm là chúng tăng trưởng chậm hơn, đòi hỏi môi trường nuôi cấy phức tạp và đắt tiền, dẫn đến chi phí sản xuất cao và việc mở rộng quy mô cũng phức tạp hơn.
• Tế bào côn trùng (sử dụng hệ thống biểu hiện baculovirus – BEVS): Cung cấp khả năng xử lý protein sau dịch mã tốt hơn vi khuẩn và có thể đạt được mức biểu hiện protein cao. Hệ thống này thường được sử dụng để sản xuất một số loại vắc-xin tái tổ hợp (ví dụ: vắc-xin HPV) và protein cho mục đích nghiên cứu.
• Hệ thống biểu hiện thực vật (ví dụ: cây thuốc lá, rêu): Có tiềm năng sản xuất quy mô lớn với chi phí thấp và rủi ro nhiễm mầm bệnh ở động vật thấp. Tuy nhiên, mô hình glycosyl hóa ở thực vật khác biệt so với người và quy trình tinh sạch sản phẩm có thể gặp nhiều thách thức. Công nghệ này vẫn đang được phát triển.

Kiểm soát quá trình và Đảm bảo chất lượng

Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số quan trọng của quy trình (Critical Process Parameters – CPPs) là nền tảng để đảm bảo sản xuất ổn định, tối ưu hóa năng suất và quan trọng nhất là đảm bảo chất lượng đồng nhất của sản phẩm giữa các lô. Các thông số này bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ oxy hòa tan (DO), tốc độ khuấy, tốc độ cấp dinh dưỡng, v.v. Các thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor) hiện đại được trang bị hệ thống cảm biến tinh vi và hệ thống điều khiển tự động để giám sát liên tục và điều chỉnh các thông số này trong giới hạn đã xác định.

Toàn bộ quy trình sản xuất phải tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc Thực hành Sản xuất Tốt (GMP – Good Manufacturing Practices). GMP là một hệ thống các quy định và hướng dẫn bao trùm mọi khía cạnh từ thiết kế nhà xưởng, thẩm định thiết bị, đào tạo nhân viên, kiểm soát nguyên liệu, quy trình sản xuất, tài liệu hóa, kiểm nghiệm chất lượng đến lưu trữ và phân phối sản phẩm. Tuân thủ GMP là yêu cầu pháp lý bắt buộc nhằm đảm bảo sản phẩm dược phẩm sinh học đạt được chất lượng, an toàn và hiệu quả một cách nhất quán.

Phân tích và Đặc trưng hóa sản phẩm

Do tính phức tạp và tiềm ẩn biến đổi của dược phẩm sinh học, việc phân tích và đặc trưng hóa (Analysis and Characterization) sản phẩm một cách toàn diện là cực kỳ quan trọng ở nhiều giai đoạn, từ phát triển quy trình đến kiểm soát chất lượng lô thành phẩm. Mục đích là để xác nhận nhận dạng, độ tinh khiết, hàm lượng, hiệu lực và tính an toàn của sản phẩm. Một số kỹ thuật phân tích cốt lõi bao gồm:

• Các kỹ thuật Sắc ký: Đặc biệt là Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với nhiều chế độ khác nhau (ví dụ: pha đảo, loại trừ kích thước, trao đổi ion, ái lực) được sử dụng rộng rãi để xác định độ tinh khiết, phát hiện và định lượng các tạp chất liên quan đến sản phẩm (ví dụ: dạng bị oxy hóa, deamid hóa, aggregate) và protein tế bào chủ (HCPs). Sắc ký khí (GC) có thể dùng để phân tích một số thành phần dễ bay hơi.
• Các kỹ thuật Điện di: Như Điện di trên gel polyacrylamide với SDS (SDS-PAGE) và Điện di hội tụ đẳng điện (IEF) giúp đánh giá kích thước phân tử, độ tinh khiết và sự đồng nhất về điện tích của protein. Điện di mao quản (CE) cũng là một công cụ mạnh mẽ.
• Phổ khối lượng (Mass Spectrometry – MS): Là một kỹ thuật cực kỳ mạnh mẽ để xác định chính xác khối lượng phân tử, xác nhận trình tự axit amin, phân tích chi tiết các biến đổi sau dịch mã (như glycosyl hóa, disulfide hóa) và nhận dạng các tạp chất ở mức độ vết.
• Các xét nghiệm hoạt tính sinh học (Bioassays): Rất quan trọng để đánh giá hiệu lực (potency) của sản phẩm, tức là khả năng thực hiện chức năng sinh học dự kiến (ví dụ: khả năng kháng thể gắn vào mục tiêu, khả năng enzyme xúc tác phản ứng). Các xét nghiệm này thường dựa trên tế bào hoặc các phản ứng sinh hóa đặc hiệu.
• Các kỹ thuật quang phổ khác: Như Phổ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis), Phổ huỳnh quang, Phổ hồng ngoại (IR), Phổ lưỡng sắc tròn (CD) được dùng để định lượng protein, đánh giá cấu trúc bậc cao và độ ổn định.

Xu hướng Công nghệ mới nổi

Ngoài các xu hướng chính đã được đề cập (sản xuất liên tục, PAT, AI/ML, tế bào biến đổi gen), một số công nghệ mới khác đang được khám phá và có tiềm năng ứng dụng trong tương lai của ngành sản xuất dược phẩm sinh học:

• • Kỹ thuật vi lỏng (Microfluidics): Sử dụng các kênh và buồng phản ứng siêu nhỏ (quy mô micromet) cho phép kiểm soát chính xác môi trường nuôi cấy tế bào, thực hiện các phản ứng với lượng mẫu rất nhỏ. Công nghệ này hữu ích cho việc sàng lọc dòng tế bào, tối ưu hóa quy trình ở quy mô nhỏ và phát triển các hệ thống phân tích tích hợp (lab-on-a-chip).
  • In sinh học 3D (3D Bioprinting): Công nghệ này cho phép tạo ra các cấu trúc giống mô ba chiều bằng cách sắp xếp có kiểm soát các tế bào và vật liệu sinh học. Trong lĩnh vực dược phẩm, nó có tiềm năng tạo ra các mô hình mô/cơ quan nhân tạo phức tạp để thử nghiệm thuốc hiệu quả hơn hoặc thậm chí trong tương lai là sản xuất các liệu pháp dựa trên mô.

• Trí tuệ nhân tạo (AI) và Học máy (Machine Learning): Như đã nói, AI/ML đang ngày càng được tích hợp để phân tích dữ liệu quy trình phức tạp, xây dựng mô hình dự đoán (ví dụ: dự đoán năng suất, chất lượng sản phẩm), tối ưu hóa điều kiện vận hành bioreactor, và đẩy nhanh việc thiết kế phân tử thuốc sinh học mới.

• Biopharmaceutical Processing: Development, Design, and Implementation of Manufacturing Processes, edited by Oliver Kayser and Wei-Shou Hu, Wiley, 2016.
• Principles of Biopharmaceutical Manufacturing, by Tim Sandle, PDA/DHI, 2019.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa dược phẩm sinh học và dược phẩm tổng hợp hóa học truyền thống là gì?

Trả lời: Dược phẩm sinh học được sản xuất từ các nguồn sinh học (tế bào sống, vi sinh vật…), có cấu trúc phức tạp, kích thước phân tử lớn (ví dụ: protein, kháng thể), trong khi dược phẩm tổng hợp hóa học được tạo ra bằng các phản ứng hóa học, có cấu trúc đơn giản hơn và kích thước phân tử nhỏ hơn. Điều này dẫn đến sự khác biệt về quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng, và cách thức chúng tương tác với cơ thể.

Glycosyl hóa protein đóng vai trò quan trọng như thế nào trong sản xuất dược phẩm sinh học?

Trả lời: Glycosyl hóa, quá trình gắn các phân tử đường vào protein, ảnh hưởng đến độ ổn định, hoạt tính sinh học, khả năng miễn dịch và thời gian bán hủy của protein điều trị. Việc lựa chọn hệ thống biểu hiện phù hợp (ví dụ: tế bào động vật cho glycosyl hóa phức tạp) là rất quan trọng để đảm bảo sản phẩm có glycosyl hóa chính xác và hiệu quả điều trị tối ưu.

Làm thế nào để kiểm soát ô nhiễm trong quá trình sản xuất dược phẩm sinh học?

Trả lời: Kiểm soát ô nhiễm được thực hiện bằng cách áp dụng các nguyên tắc GMP, bao gồm: làm việc trong môi trường vô trùng, sử dụng thiết bị được khử trùng, kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào, theo dõi và kiểm soát các thông số quy trình (nhiệt độ, pH, DO), và thực hiện các xét nghiệm kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt trong suốt quá trình sản xuất.

Liệu pháp CAR T-cell là gì và nó hoạt động như thế nào?

Trả lời: Liệu pháp CAR T-cell là một loại liệu pháp miễn dịch sử dụng tế bào T (một loại tế bào miễn dịch) của chính bệnh nhân được biến đổi gen để biểu hiện thụ thể kháng nguyên dạng chimeric (CAR). CAR cho phép tế bào T nhận diện và tiêu diệt các tế bào ung thư một cách đặc hiệu. Đây là một liệu pháp đầy hứa hẹn trong điều trị một số loại ung thư máu.

Xu hướng sản xuất liên tục trong sản xuất dược phẩm sinh học có những ưu điểm gì so với sản xuất theo mẻ truyền thống?

Trả lời: Sản xuất liên tục cho phép sản phẩm được sản xuất và tinh sạch liên tục, không bị gián đoạn như sản xuất theo mẻ. Điều này dẫn đến tăng năng suất, giảm chi phí vận hành, kiểm soát chất lượng tốt hơn, và giảm thời gian sản xuất. Tuy nhiên, việc chuyển đổi sang sản xuất liên tục đòi hỏi đầu tư đáng kể vào công nghệ và thiết bị.