BIOPROCESOS EN LA INDUSTRIA FARMACEUTICA (Un Vistazo General sobre Tecnologa e Ingeniera) Por: Ing. Erick Prado, P.E. Instituto de Ingenieros Qumicos - CIAPR En el mes de Septiembre, el Instituto de Ingenieros Qumicos ofreci un seminario sobre biotecnologa farmacutica. El objetivo fue familiarizar a los participantes con los aspectos de biotecnologa moderna y de ingeniera, utilizados en la manufactura de protenas teraputicas. A continuacin le ofrecemos los puntos sobresalientes del seminario. Introduccin La biotecnologa significa diferentes cosas para diferentes personas. Para propsito del seminario, biotecnologa es la integracin de ciencias naturales y de ingeniera para aplicarla a microorganismos, clulas o sus componentes con el propsito de generar productos o servicios. Se puede hacer una distincin entre dos tipos de biotecnologas: tradicional y moderna. La biotecnologa tradicional es la que se ha usado por siglos para mejorar cultivo de plantas y cra de animales, as como tambin elaborar pan, queso, vino y cerveza. En sta se utilizan los organismos sin ningn tipo de manipulacin gentica. Durante la segunda guerra mundial la industria farmacutica da comienzo, con la Penicilina, a la manufactura de antibiticos a partir de la fermentacin microbiana. Por otro lado, la biotecnologa moderna se basa en la manipulacin gentica in vitro de clulas o microorganismos con un propsito determinado. Esto es conocido como Ingeniera Gentica o Tecnologa del ADN recombinante (ADN-r). El organismo modificado se puede conocer como Organismo Transgnico u Organismo Genticamente Modificado. En la dcada de 1970 la Ingeniera Gentica y la ciencia del Cultivo de Clulas, fueron dos tecnologas que convergen en su desarrollo para hacer posible la manufactura a escala industrial de protenas teraputicas. En 1982 se produce la primera protena teraputica por medio de ADN-r. Esta fue la versin humana de la insulina (Humulina nombre comercial) para el tratamiento de la diabetes. Anterior ha esto se usaba la versin porcina que se extraa del pncreas del cerdo.

Biofarmacuticos Los biofarmaceticos son medicinas creadas por ingeniera gentica y tpicamente son llamadas protenas teraputicas (enzimas, hormonas, pptidos, etc.). Estas protenas las produce naturalmente el cuerpo, pero problemas de ndole gentico (hereditarios o no hereditarios) causan desrdenes de salud. Lo que ocurre es un dficit, cuantitativo o funcional, de protenas con actividad biolgica. Las protenas son estructuralmente complejas y difciles de sintetizar por el hombre. La ingeniera gentica toma ventaja de que las clulas sintetizan stas molculas. Las protenas son frgiles y se degradan fcilmente en el estmago por las condiciones de pH. De aqu que esta primera generacin de productos basados en ADN-r se

inyecta directamente al torrente sanguneo. Los cientficos estn desarrollando la prxima generacin de protenas teraputicas en la que la administracin es oral o nasal. El bioproceso completo para la manufactura comercial de protenas teraputicas consta de dos tecnologas opuestas a nivel de escala. La primera etapa es a nivel micro que es la ingeniera gentica cuyo objetivo es generar una colonia de clulas genticamente modificadas para que produzcan una protena en especfica. Estas colonias deben caracterizarse y su estabilidad gentica tiene que verificarse. Las colonias para produccin industrial son crio-preservadas como banco de clulas en nitrgeno lquido a -180C. La otra etapa de manufactura es a nivel macro cuyo objetivo es cultivar las clulas hasta la etapa de produccin, luego aislar la protena cruda, purificarla y finalmente formularla. Ingeniera Gentica Entre las macromolculas que producen las clulas estn las protenas y cidos nuclicos (ADN, ARN) que son factores claves para la biotecnologa moderna. Las protenas son abundantes y tiene un rol importante ya que ejercen varias funciones en la actividad celular y forman parte de la estructura celular. El ADN (cido desoxirribunocleico), el cual compone los cromosomas, almacena la informacin gentica de los seres vivos en segmentos llamados genes. Incluye las recetas para que las clulas produzcan protenas. El ARN (cido ribonucleico), que se deriva del ADN, entre otras funciones transporta el mensaje (ARNm) del gen fuera del ncleo celular para que las protena se manufacture en el citoplasma (ribosoma) celular. La sntesis celular para protenas se resume as: ADN ARNm Protena. Esta es la sntesis biolgica que realizan las clulas cuando se estn cultivando y multiplicando. La tcnica del ADN recombinante consiste en transferir informacin gentica especfica (gen) de un organismo a otro. En sta tecnologa intervienen tres organismos o sus componentes: 1) el gen humano de inters (tiene la codificacin de la protena); 2) el plsmido (ADN circular de una bacteria) que sirve de vehculo o vector para el gen humano; una seccin de este se corta para insertarle el gen humano; 3) la clula husped recibe el plsmido recombinado y luego se reproduce para formar una colonia que sintetice la protena deseada (proceso conocido como expresin). Por ahora los sistemas de expresin ms usados son bacterias o las clulas de mamferos. Tecnologas de Bioprocesos Las clulas para multiplicarse necesitan: nutrientes orgnicos e inorgnicos, oxgeno, control de temperatura y pH (buffers, CO2) y agitacin para promover la transferencia de masa y calor. En el bioreactor de produccin el cultivo se lleva a su mxima densidad celular. Antes de llegar al reactor, las clulas de expresin se van cultivando (multiplicando) en aumento de escalas para permitir la aclimatacin de las clulas. Las etapas previas al bioreactor de produccin se conocen como corriente arriba. Por otro lado las etapas despus del bioreactor son las de corriente abajo. La cosecha es la etapa en donde se recupera en forma cruda la protena sintetizada. Esto se puede hacer por extraccin, precipitacin o filtracin. Si la protena producida permanece dentro de las clulas, stas pasan por un proceso de rompimiento (como centrifugacin a alta presin, homogenizacin) antes de la recuperacin. Como en la

bioreaccin se forman impurezas, la protena cruda hay que purificarla. Tpicamente se hace en columnas de cromatografa. La solucin acuosa de la protena ya purificada se almacena en recipientes esterilizados. Dependiendo de la protena, su formulacin final es en jeringuilla para inyeccin o slido liofilizado el cual para administrarse se disuelve en agua para inyeccin. Aspectos de Ingeniera Los bioprocesos farmacuticos son complejos y caros en donde se manejan clulas y productos sensitivos. Los equipos y condiciones de operacin tienen que ser capaces de manejar clulas frgiles sin daarlas. Esto hace que los requisitos de buenas prcticas de manufactura sean ms alto que en la produccin de medicamentos por sntesis qumica o fermentacin microbiana. Dos referencias fundamentales son:1) ICH Q7A: GMP Guidance for APIs sobre todo la seccin 18; 2) la publicacin de ISPE, Baseline Pharmaceutical Engineering Guide, Volume 8: Biopharmaceutical Manfacturing Facilities. La primera referencia la adopt el FDA como gua. La segunda contiene buenas prcticas de ingeniera costo efectivas para equipos, sistemas y facilidades para aplicarlas durante diseo, construccin, puesta en servicio (commissioning) y cualificacin.