Биореактор для «Вектора» и разработки вакцин: оборудование, которое борется с коронавирусом

Та же Россия, долгое время остававшаяся в стороне от эпидемии, на сегодня имеет одного больного на две тысячи человек населения. Для сравнения: в КНР болезнь остановили еще тогда, когда ее выявили лишь у одного китайца из 17 тысяч. Получается, вне Восточной Азии просто нет государственного аппарата достаточно эффективного, чтобы обуздать новый коронавирус действенным карантином.

А это значит, что тем, кому не повезло жить на остальной части суши, остается рассчитывать только и исключительно на вакцину. Если ее сделают к ближайшей осени – масштаб жертв и потерь для экономики будет одним, а если к следующей – принципиально иным. Как именно ее делают? Какие есть пути к ее получению и какие из них актуально используются сейчас? Наконец, что за оборудование для этого необходимо и кто его делает? Чтобы узнать детали, мы поговорили с Ириной Волковой, кандидатом технических наук и генеральным директором ООО «Сарториус Стедим РУС», дочерней компанией немецкого концерна Sartorius.

Биореактор для «живой» вакцины

Как объясняет Ирина Волкова, процесс производства классической вакцины состоит из нескольких этапов, из которых первый и основной – наработка возбудителя или его белков, того самого материала, на который вакцина «натаскивает» нашу иммунную систему, чтобы та могла сражаться с самой болезнью.

«В целом в современном мире существует четыре основных подхода к созданию вакцины», – рассказывает Волкова. Первый – это классическая технология, когда в лабораторных условиях массово выращивают вирус – но ослабленный, или затем, после выращивания, «убивают» его. Поскольку не все биологи согласны классифицировать вирус как живой организм, такой процесс называют инактивацией. Для «натаскивания» иммунной системы при этом подходе служит либо сам вирус, либо его биологический материал (если используют инактивированный вирус).

В любом случае и тот, и другой варианты классического подхода основаны на массовом выращивании вируса в лабораторной клеточной культуре. И вот здесь все зависит от параметров биореактора, где идет выращивание. Именно он – основное звено в процессе промышленного биотехнологического синтеза. И звено достаточно сложное.

Дело в том, что хотя сам вирус, выращиваемый в культуре, и может выдержать энергичное перемешивание и аэрацию (без них быстрая наработка биомассы невозможна), но вот клетки животных куда более хрупки и чувствительны к механическим воздействиям. Чтобы биореактор обеспечил оптимальные условия для роста культивируемых биообъектов, нужно, чтобы перемешивание жидкостей в нем шло «мягко», без образования пены, гидроударов, кавитации и других явлений, способных нарушить наработку биомассы.

Но и это еще не все. Чрезвычайно важно, чтобы результаты культивирования были устойчивыми, всегда повторялись, чтобы реально наблюдаемые параметры всегда совпадали с теми, что обозначил производитель. А это требует высокого уровня контроля качества со стороны последнего.

Именно таким, первым подходом к изготовлению вакцин занят, например, новосибирский «Вектор». В прошлом году Sartorius поставил ему биореактор, соответствующий требованиям для массовой, быстрой и экономичной наработки биомассы вирусов.

Ирина Волкова отмечает, что хотя Sartorius далеко не единственный поставщик на рынке подобного оборудования, «Вектор» выбрал именно его – как по соображениям высокого качества продукции немецкого производителя, так и благодаря наличию у его российского представительства активной технической и сервисной поддержки.

Волкова подчеркивает: «В отличии от других компаний, таких же поставщиков оборудования, у нас есть собственные технические специалисты в России, собственная сервисная служба, склад запасных частей и ходовые позиции оборудования на подмену. Это очень важно – ведь клиент покупает дорогостоящее оборудование для достаточно серьезного и критического процесса, и если что-то идет не так, очень важно, чтобы производитель быстро и оперативно решал любые возникающие вопросы».

Даже несмотря на то, что «Вектор» – закрытое учреждение, с корнями (советских времен) в военной сфере, технические специалисты ООО «Сарториус Стедим РУС» регулярно его консультируют. Правда, из-за карантина многие технические вопросы решаются онлайн, с помощью видеоконференций.

Но в 2019 году, когда туда был поставлен упомянутый биореактор, специалисты компании проводили пусконаладочные работы и нужное обучение сотрудников «Вектора» для получения наилучшего результата. Ирина Волкова особо отмечает: «Для нас очень важно, что часть работ по производству вакцины против коронавируса сделана на нашем оборудовании».

Второй этап получения «живой» вакцины – это очистка полученного в биореакторе продукта. Этот процесс включает в себя и фильтрацию, и концентрирование массы вируса. Здесь важен каждый этап и вот почему. Хотя выращивание вируса идет в клетках животных, в конце процесса клетки разрушаются, чтобы из них можно было извлечь вирусы.

Но при этом остатки клеток в вакцине не просто не нужны, но и вредны – они могут «отвлекать» иммунитет, стимулируя выработку антител не к вирусу, а именно к биоматериалам клеток, в которых его выращивали. Именно поэтому качество фильтрации – один из ключевых параметров всего цикла производства вакцины. Системы для фильтрации, производимые Sartorius, работают на разных принципах, от центрифужного осаждения до концентрации под давлением.

Альтернативные пути к вакцине: плюсы и минусы

В теории, на оборудовании Sartorius возможна отработка и других типов вакцин. Например, при втором подходе к их получению выращивается не сам ослабленный коронавирус, а его вирусный вектор, которым заражают клетки. В этом случае определенные гены коронавирусы встраивают в аденовирус, который, по сути, является транспортным вирусом, доставляющим гены коронавируса в клетку. Сам «Вектор» не рассматривает такой подход, как основной. Дело в том, что его лаборатории имеют настолько высокий уровень биобезопасности, что для них нет ничего страшного в работе с живым вирусом.

Третий подход к разработке вакцин – на матричной РНК, вообще без участия живых клеток. Однако на сегодня в России РНК-вакцины – очень недавнее явление, большого опыта работы с ними здесь никто не имеет, да и в мире мест, где над ними работают, всего несколько.

Четвертый метод создания вакцины – рекомбинантный. При нем генетический материал вируса встраивают методами генной инженерии в, например, дрожжевые клетки, и эти клетки начинают производить антиген. Наработав достаточную массу дрожжей, из нее выделяют нужный антиген и после фильтрации очищают и готовят на этой основе вакцину. Здесь, в принципе также участвуют те же биореакторы и фильтрующее и концентрирующее оборудование, широкую линейку которого производит Sartorius.

Но у этого подхода есть и потенциальные преимущества над традиционными живыми вакцинами. Все дело в феномене антител-зависимого усиления. У некоторых вирусов – и у коронавируса атипичной пневмонии, «предка» нового коронавируса – есть неприятная особенность: часто переболев одним подтипом нового вируса, человек может остаться повышенно уязвимым к повторному заражению чуть иным подтипом. В этом случае живая вакцина может даже снизить шансы вакцинированного на успешное противостояние возбудителю.

А вот если вакцина была получена рекомбинантным методом, то иммунная система получает с прививкой только нужный антиген и не получает взаимодействия с самим вирусом. В этом случае антител-зависимое усиление не срабатывает. Из-за этого нельзя исключить, что именно рекомбинантная вакцина окажется самым эффективным вариантом в борьбе с новой болезнью.

На сегодня пока трудно определенно сказать, какой именно путь окажется наиболее перспективным. Среди российский клиентов Sartorius (часть из них не хотят себя называть, чтобы не афишировать ведущиеся ими работы над вакциной) есть сторонники разных подходов к созданию вируса.

В публичном поле новых вакцин от коронавируса, создаваемых в нашей стране, числится девять вариантов. Среди них шесть – в работе у «Вектора», из которых одна рекомбинантная, одна векторная и одна на основе матричной РНК. Еще две создает компания БИОКАД, из них одна «живая». Еще один вариант разрабатывает «Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт вакцин и сывороток» – и это вакцина на основе белков нового коронавируса.

Автоматизировать борьбу с вирусом

Для того, чтобы оптимальным образом выращивать вирус, надо сперва разобраться, в каких условиях он лучше всего себя чувствует. Для этого надо подобрать такую клеточную линию-хозяина, в которой коронавирусу будет проще всего размножаться. Последовательно подбирать оптимальные культуры было бы слишком долго, поэтому существуют наборы оборудования типа ambr® 15.

Это высокопроизводительный автоматизированный биореактор, в котором можно проводить параллельное культивирование не одной, а сразу множества клеточных культур – ведь в нем до 48 сосудов объемом 10–15 миллилитров. Такая линия может за один раз запустить сразу 48 процессов культивации – а затем ученые в режиме онлайн отслеживают параметры развития клеток, где выращивают вирус, и определяют наиболее успешные клеточные линии, с которыми и будут работать далее.

Волкова так поясняет важность внедрений новых автоматизированных систем работы с вирусом: «Чем меньше какого-то ручного труда, тем лучше. Во-первых, результаты работы автоматизированными системами проще отслеживать, они более устойчиво воспроизводятся, легче масштабируются. При большой доле ручного труда в первичной, базовой работе с вирусами, выше риск контаминации, загрязнения изучаемого образца неловким движением лаборанта».

По словам Ирины Волковой, у компании есть и ряд других систем, потенциально полезных для работы с новым вирусом, но пока не все они поставлялись в Россию. Например, Sartorius делает высокоэффективный счетчик вирусов. Речь идет о совсем новой разработке, которая автоматизировано без участия человека определяет число вирусов в той или иной среде.

На данный момент счетчик еще не используется для подсчета единиц нового коронавируса, потому что адаптация под новые виды требует времени. Для работы счетчик использует лазер, подсвечивающий поток образцов. Чтобы лазер мог выявить именно целевой вирус, нужно, чтобы был краситель, связывающийся именно с ним, но не связывающийся с другими вирусами. «К сожалению, пока разработаны красители не для всех вирусов, и для коронавируса их еще нет. Над этим мы пока только работаем».

Другая важная компонента в борьбе против нового вируса – программное обеспечение, используемое в вирусологических лабораториях. Sartorius поставляет и такое ПО, которое позволяет моделировать многие процессы выращивания вирусов – не производя их физически, в лаборатории. За счет моделирования будущих процессов можно подобрать оптимальные параметры для реальных лабораторных исследований, значительно сэкономив драгоценное время работы на реальном оборудовании.

Но и после окончания исследовательского процесса, уже при производстве живых вакцин в биореакторах, важность ПО не снижается.

«У нас есть программное обеспечение, которое позволяет контролировать критические точки на биотехнологическом производстве. В режиме реального времени оно способно сообщать оператору или технологу о том, что где-то что-то в технологическом процесс идет не так. Представьте себе крупное биотехнологическое производство, которое состоит из огромного количества разных этапов, и сбой на каждом из этих этапов может быть критическим, – продолжает Волкова. – И вот мы в программе пишем: вот этот этап критический, его нужно отслеживать, чтобы он соответствовал таким-то параметры. Чтобы, например, pH среды не ушел из области нужных значений, не сорвал наработку, или чтобы температура не вышла в недопустимый диапазон, или требующийся белок куда-то не делся».

Если где-то что-то выходит за рамки указанных параметров, система дает сигнал еще до того, как критический этап полностью выйдет из-под контроля. Тогда оператор удаленно вмешается и не допустит дальнейшего падения параметров подсистемы.

В ходе текущего коронавирусного кризиса Sartorius действует также, как и в периоды вспышки вируса Эболы или Зика: консультирует и снабжает своих клиентов оборудованием, позволяющим успешно разрабатывать и производить вакцины. Для этих целей создан специальный раздел с подробной информацией по решениям для борьбы с COVID -19. Но сами по себе центрифуги, дозаторы, фильтры, высокопроизводительные биореакторы и многое другое – это еще далеко не все, что нужно для победы вакцинации над новым коронавирусом.

Чтобы действительно добиться успеха, лаборатории по всему миру — в том числе, и в России – должны будут еще и успеть в кратчайшие сроки провести испытания уже наработанных вакцин. Не все из упомянутых выше девяти вариантов смогут сделать это в сжатые сроки. Хотя вакцинная гонка уже началась, ее окончание займет еще долгие месяцы – и чем меньше их будет, тем меньше будет удар пандемии по здоровью людей и мировой экономике.