La formulazione dei vaccini

I vaccini sfruttano il meccanismo di protezione naturale del corpo per "insegnare" al sistema immunitario a creare protezione da specifici patogeni estranei, principalmente batteri e virus. Vengono tradizionalmente impiegati per prevenire o ridurre la trasmissione di malattie infettive; tuttavia, alcuni nuovi vaccini potrebbero essere di aiuto nell'eliminazione dei tessuti cancerosi o malati.

La formulazione dei vaccini è il processo di sviluppo e produzione di vaccini. I vaccini generalmente combinano componenti primari e secondari per ottenere un'elevata biodisponibilità e bioattività delle sostanze target, ottenendo al contempo il tipo e il grado corretti di stimolazione del sistema immunitario. Gli ingredienti secondari vengono aggiunti per garantire la stabilità durante il trasporto e il periodo di conservazione. Per soddisfare standard normativi elevati sono necessari processi di produzione efficienti. 

Le formulazioni dei vaccini contengono generalmente un antigene, che può essere paragonato al principio attivo farmaceutico (API), insieme a uno o più coadiuvanti, che mirano a potenziare l'azione immunogena dell'antigene. Vengono quindi aggiunti degli eccipienti per migliorare la stabilità e la conservazione della formulazione.

Esiste un'ampia varietà di categorie di vaccini, che vengono solitamente classificate come in vivo o non vivo per distinguere i vaccini contenenti ceppi replicanti attenuati dei patogeni da quelli contenenti solo componenti dell'agente patogeno o organismi interi uccisi.

Il workflow di produzione è simile per tutte le classi di vaccini. Un antigene viene identificato, prodotto, purificato e formulato. Oggi, la maggior parte degli antigeni viene prodotta tramite bioprocessi, che prevedono i seguenti passaggi:

• L'elaborazione a monte utilizza batteri, lieviti o colture cellulari per produrre un antigene (virus, batteri, proteine ricombinanti, tossina attenuata) o per amplificare il pDNA necessario per i vaccini a mRNA. Per ottimizzare le prestazioni e le condizioni di coltura è necessario eseguire il monitoraggio in linea di parametri come pH, contenuto di ossigeno disciolto e percentuale di CO₂ nei mezzi di coltura.
• Tramite l'elaborazione a valle si inizia a isolare e purificare il composto di interesse (antigene, pDNA) dal resto. Il composto di interesse può essere ulteriormente elaborato, se necessario (ad esempio inattivazione del virus, linearizzazione del pDNA e trascrizione dell'mRNA).
• Nella formulazione l'antigene viene combinato con alcuni coadiuvanti, stabilizzanti ed eccipienti per migliorare l'efficacia e la conservazione del vaccino.

I vaccini possono essere fragili. In genere, formulazioni diverse mostrano stabilità differenti, pur alle stesse condizioni di temperatura.

Mentre i vaccini vivi attenuati in soluzioni liquide sono sensibili al gelo, i virus inattivati, a subunità o contro i tossoidi sono più sensibili al calore. Stabilizzanti o eccipienti vengono aggiunti alla formulazione per ridurre al minimo i danni dovuti al gelo o all'esposizione al calore, o per proteggere l'antigene dal taglio e dalla disidratazione durante l'essiccamento.

Come eccipienti protettivi, sono comunemente usati il mannitolo, il destrano, il lattosio, la L-leucina e il trelosio. La scelta dello stabilizzante dipende dal tipo di formulazione del vaccino e richiede un'attenta ottimizzazione dei parametri di formulazione nella prima fase di sviluppo del prodotto, al fine di valutare quale eccipiente o combinazione di eccipienti stabilizzi meglio l'antigene allo stato vetroso.

Due punti chiave nella formulazione dei vaccini sono l'aggiunta di adiuvanti per aumentare l'immunogenicità dell'antigene e l'aggiunta di eccipienti per migliorare la stabilità del prodotto finale, che influisce sulle condizioni di conservazione.

Solitamente, i vaccini vivi attenuati sono gli unici che non richiedono l'uso di adiuvanti aggiuntivi nella formulazione per aumentare la risposta del sistema immunitario. Tuttavia, le condizioni di conservazione richiedono una catena del freddo ottimale.

Varie caratterizzazioni, fasi di screening e processi possono contribuire a garantire che le formulazioni finali dei vaccini offrano le prestazioni richieste, una volta combinate. Di seguito sono descritte le fasi per la scelta del coadiuvante e la preparazione delle formulazioni.

Lo sviluppo della formulazione dei vaccini comporta molteplici vincoli e responsabilità. In quanto tali, le sfide affrontate nello sviluppo della formulazione sono varie e specifiche per ogni attività.

Le sfide principali nelle varie fasi di formulazione includono:

• Progettazione e manipolazione specifiche per la formulazione. Ogni metodo di reazione e di formulazione dei vaccini richiede progettazione e manipolazione specifiche, e condizioni che possono anche essere uniche per ogni schema di reazione e richiedere un'apposita caratterizzazione.
• Colli di bottiglia dovuti al campionamento. Il campionamento in genere diventa un collo di bottiglia critico. L'HPLC e la caratterizzazione offline delle particelle sono metodi analitici standard ampiamente utilizzati in tutto lo sviluppo della formulazione. Diverse migliaia di campioni vengono prelevati, la maggior parte a mano, e preparati manualmente per le tecniche di caratterizzazione delle particelle offline o HPLC offline.
• Mancanza di misure in situ. La cinetica di reazione e i meccanismi di adsorbimento dell'antigene sono difficili da caratterizzare senza misure in situ.
• Informazioni limitate dovute a campionamento discontinuo. Allo stesso modo, gli intermedi o gli eventi di processo possono facilmente passare inosservati a causa di un campionamento discontinuo; di conseguenza potrebbe essere difficile ottenere una reale comprensione dei meccanismi di processo.
• Scelta della vescicola di trasporto corretta: per proteggere il carico utile deve essere in grado non solo di resistere alle condizioni di produzione e di consegna, ma anche fungere da sito target.

La caratterizzazione delle particelle in situ, o PAT unita a tecniche di caratterizzazione come la spettroscopia, può contribuire ad affrontare queste sfide e a semplificare lo sviluppo di formulazioni di vaccini efficaci, che possono essere di fondamentale importanza in caso di focolaio attivo di malattie potenzialmente letali.

Per ottimizzare lo sviluppo dei vaccini è necessaria una comprensione approfondita dell'immunologia, dei bioprocessi, della bioconiugazione, della sintesi degli adiuvanti, dell'adsorbimento dell'antigene-adiuvante, degli eccipienti/stabilizzatori, delle concentrazioni massime, dello scambio di soluzioni tampone e di altri parametri di processo. Diverse tecnologie contribuiscono a garantire il successo nello sviluppo dei vaccini.

Secondo i produttori di vaccini, il controllo qualità e la verifica possono richiedere oltre la metà del tempo di produzione del vaccino stesso. In genere il produttore è tenuto legalmente a garantire l'efficacia dei prodotti in ogni fase della produzione. Di conseguenza, l'analisi delle materie prime dei vaccini e del prodotto finito diventa fondamentale. Le seguenti tecnologie aiutano ad affrontare le sfide legate al controllo qualità nello sviluppo e nella produzione dei vaccini.

Il campo dell'analisi farmaceutica è altamente standardizzato a livello internazionale. I produttori di vaccini devono fornire informazioni sul contenuto di API e sugli additivi presenti nelle formulazioni dei vaccini, un'operazione che richiede verifiche rigorose.

Le autorità regolatorie pubblicano linee guida specifiche che includono test per valutare la stabilità del complesso adiuvante-antigene e norme che regolamentano la selezione del coadiuvante e il controllo qualità. Anche il coadiuvante, da solo e nella formulazione finale, deve essere soggetto a valutazione preclinica e clinica per garantirne la sicurezza e l'efficacia e per misurarne la capacità di stimolare il sistema immunitario contro uno specifico antigene.

Lo sviluppo della formulazione di vaccini richiede la caratterizzazione dei singoli componenti del vaccino, dei complessi coadiuvante-antigene, della cinetica di processo, delle interazioni molecolari e di altri attributi di qualità. Calorimetria a scansione differenziale (DSC). La DSC3+ METTLER TOLEDO permette di misurare le variazioni di entalpia che si verificano nei campioni in seguito ad alterazioni delle proprietà fisiche e chimiche in funzione della temperatura o del tempo. Conoscere le caratteristiche termiche di una formulazione di vaccino contribuisce a definire i parametri di essiccamento del vaccino stesso e a ottenere una maggiore stabilità.

• Titolazione Karl Fischer (KF). La capacità di determinare il contenuto di umidità residua di un vaccino con un'accuratezza accettabile è fondamentale per la sicurezza. A fronte del crescente numero di campioni da analizzare, gli scienziati devono fornire risultati in tempi brevi, mantenendo al contempo accuratezza e sicurezza. I titolatori Karl Fischer coulometrici METTLER TOLEDO offrono una determinazione accurata e precisa del contenuto d'acqua con rendimenti ottimali, workflow efficienti e dati tracciabili che migliorano la sicurezza e la produttività.

Il monitoraggio dell'effetto dei parametri di processo in tempo reale su eccipienti, stabilizzanti, coadiuvanti e interazioni antigene-coadiuvante non è praticabile con i metodi di caratterizzazione e analisi offline tradizionali. Al contrario, i metodi DoE e le relative variabili interdipendenti vengono compresi e ottimizzati al meglio grazie a tecnologie che misurano il processo in tempo reale poiché sono applicabili in situ.

• Sistemi di termostatizzazione. Una termostatizzazione intuitiva migliora la gestione della temperatura, eliminando la necessità di bagni di ghiaccio e altre impegnative operazioni di gestione per garantire che CPP come temperatura, pH, velocità di miscelazione e dosaggio vengano misurati accuratamente, consentendo di eseguire chimica di coniugazione, sintesi dell'adiuvante e processi di adsorbimento riproducibili. I sistemi EasyMax™, OptiMax™e RX-10™ METTLER rendono questi processi più semplici, efficienti e accurati.
• Spettroscopia in situ. La spettroscopia in situ consente di tenere traccia e monitorare le principali sostanze farmaceutiche, gli eccipienti o le specie di reazione simultaneamente e in tempo reale in solventi/soluzioni tampone sia acquosi che organici. Estremamente utili per la caratterizzazione di intermedi di processo sconosciuti, variazioni della struttura secondaria dell'antigene, percentuale di adsorbimento e altre relazioni tra i componenti liquidi e solidi del vaccino, i sistemi ReactIR™ e ReactRaman™ monitorano le trasformazioni chimiche e strutturali rapide senza l'interferenza delle particelle in sospensione.
• Caratterizzazione delle particelle in situ. I sistemi di misura delle particelle in situ permettono di caratterizzare particelle di coadiuvante o antigene che possono essere fragili o soggetti a variazioni se misurati con altre tecniche. Possono inoltre caratterizzare, promuovere o prevenire trasformazioni di breve durata che possono influenzare la qualità del particolato del vaccino. I sistemi ParticleTrack™ e EasyViewer™ monitorano facilmente la dimensione, il conteggio e la distribuzione delle microparticelle in sospensioni eterogenee.
  

La suite software iC integra l'intero workflow sperimentale PAT semplificando la visualizzazione, l'interpretazione e i report dei risultati. In ogni prodotto iC, potenti algoritmi e rappresentazione grafiche sono combinati con una semplice interfaccia utente che consente ai ricercatori di ottenere una comprensione più approfondita dei processi con meno sforzo. La suite software iC permette di acquisire, preparare e condividere in modo automatico i dati sperimentali tra i team che sviluppano conoscenze istituzionali, garantendo al contempo risultati cruciali per le autorità normative.
Queste tecniche analitiche in situ, utilizzate insieme ai reattori automatici, permettono di comprendere a fondo il modo in cui le condizioni e le variabili di reazione influenzano la formulazione del vaccino e forniscono piattaforme eccellenti per lo scale-up di processi impegnativi.

Esistono vari strumenti e metodi per realizzare la quantificazione accurata di antigeni, coadiuvanti ed eccipienti per la produzione di vaccini, in base alle linee guida di diverse farmacopee. Le tecniche comuni includono manipolazione dei liquidi, pesata, titolazione, densità, indice di rifrazione, spettrofotometria UV/Vis, determinazione di punto di fusione, pH, conducibilità e umidità.

• La titolazione determina la quantità di una sostanza specifica (analita) contenuta in un campione mediante l’aggiunta controllata di un reagente (titolante) avente concentrazione nota. È comunemente raccomandata dalla monografia, ad esempio, per la caratterizzazione dello stabilizzatore trometamina o per determinare le concentrazioni di acetato di sodio. La titolazione caratterizza anche grassi e oli e fornisce i valori di acido, idrossile, perossido e saponificazione degli eccipienti. La linea modulare Titration Excellence consente di affrontare le sfide analitiche future con sensori intelligenti per tutti i tipi di applicazioni.
• Il pH è importante per valutare la stabilità e la sicurezza della formulazione finale del vaccino. È anche utile per verificare la qualità di ingredienti specifici per i vaccini. Per applicazioni biologiche specifiche sono disponibili i sensori speciali InLab®.
• Punto di fusione, densità e indice di rifrazione sono parametri fisici utilizzati per caratterizzare i composti organici e inorganici e per accertare la purezza degli ingredienti dei vaccini.
• L'analisi termica con il sistema DSC 3+ METTLER TOLEDO permette di misurare le variazioni di entalpia che si verificano nei campioni in seguito ad alterazioni delle proprietà fisiche e chimiche in funzione della temperatura o del tempo. Conoscere le caratteristiche termiche di una formulazione di vaccino contribuisce a definire i parametri di essiccamento del vaccino stesso e a ottenere una maggiore stabilità. L'analisi termica con DSC o TGA può essere utilizzata anche su sostanze diverse per determinarne la purezza. Con questi metodi è inoltre possibile stabilire le caratteristiche di sostanze diverse rispetto alla formulazione finale.
• L'analisi dell'umidità contribuisce a garantire la qualità degli eccipienti e dei prodotti finali. La capacità di determinare il contenuto di umidità residua di un vaccino con un'accuratezza accettabile è fondamentale per la sicurezza. A fronte del crescente numero di campioni da analizzare, gli scienziati devono fornire risultati in tempi brevi, mantenendo al contempo accuratezza e sicurezza. I titolatori Karl Fischer e l'analizzatore di umidità alogeno METTLER TOLEDO offrono una determinazione accurata e precisa del contenuto d'acqua con rendimenti ottimali, workflow efficienti e dati tracciabili che migliorano la sicurezza e la produttività.
  • L'analizzatore di umidità alogeno HX204 è ideale per campioni con basso contenuto di umidità e per settori fortemente regolamentati.
  • I titolatori volumetrici compatti Karl Fischer sono adatti a un'ampia gamma di applicazioni con contenuto d'acqua da 100 ppm al 100%.
  • Con i titolatori coulometrici compatti Karl Fischer è possibile eseguire titolazioni rapide ed accurate di campioni con contenuto d'acqua ridotto, da 1 ppm al 5%.
• La determinazione spettrofotometrica UV/Vis è considerata un metodo standard per la misura della concentrazione di proteine e del contenuto di acido nucleico. Lo spettrofotometro UV5 Nano è ideale per le applicazioni Life Science che richiedono analisi di microvolumi, mentre lo spettrofotometro UV7 è perfetto per gli ambienti regolamentati.

La varietà di strumenti presenti in un laboratorio di controllo qualità farmaceutico spesso comporta difficoltà in termini di raccolta e integrazione dei dati per la conformità alle normative relative alla tracciabilità. METTLER TOLEDO offre un'ampia gamma di strumenti e bilance che, insieme al software LabX™, aiutano a semplificare le attività di conformità allo standard CFR 21 Parte 11 della FDA.
Tutti i dati degli strumenti e delle bilance Excellence vengono automaticamente archiviati in un database centralizzato. LabX elimina del tutto il rischio di trascrizione e registrazione manuale dei dati, il che aiuta i laboratori e gli stabilimenti di produzione a soddisfare i requisiti ALCOA+ della FDA in materia di Data Integrity. È possibile accedere ai dati da qualsiasi luogo, 24/7, e generare facilmente report personalizzati.
METTLER TOLEDO offre inoltre bilance e strumenti accurati per soddisfare le esigenze analitiche e di produzione. Scopri di più su come i nostri strumenti siano in grado di soddisfare le varie esigenze di campioni e i requisiti di processo, inclusa l'automazione intelligente del dosaggio.