Nuove frontiere nelle Terapie Avanzate:

il ruolo dei Bioreattoridalla ricerca all’applicazione clinica

Stefania Adele Riboldi, Ph.D.

Bioengineering Laboratories S.p.A.

R&D Tissue Engineering

Milano, 17 Marzo 2010

CUS-MI-BIO18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Sommario

• Razionale

• Introduzione

• Ruolo dei Bioreattori

� nella ricerca scientifica

� nelle fasi precliniche

� nella pratica clinica

• Conclusioni e prospettive future

CONSOLIDAMENTO delle CONOSCENZE SCIENTIFICHE

INDUSTRIALIZZAZIONE e STUDI PRECLINICI

TRASFERIMENTO alla CLINICA

I bioreattori nella produzione

di Biofarmaci

e Terapie Avanzate

Martin I et al., Trends Biotech (2009)

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Terapie Avanzate e Biofarmaci

Lysaght MJ et al., Tissue Eng Part A (2008)

� 500+ aziende nel mondo, circa 50 con prodotti in clinica

� la maggioranza in fase di validazione preclinica

• Inquadramento storico ed economico

$ 2400

2007

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

$ 246

1995

$ 432

1998

$ 610

2000

$ 487

2002

Vo

lum

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con

om

ico

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x 10

6

preclinica e clinica

commerciale

Razionale18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

• Inquadramento storico ed economico

• Casi di successo

Terapie Avanzate e Biofarmaci

Apligraf ®, Organogenesis (Canton, MA, USA)

Carticel ®, Genzyme Biosurgery(Cambridge, MA, USA)

Laserskin ®, Fidia Advanced Biopolymers(Abano Terme, Italy)

Dermagraft ®, Smith & Nephew(London, UK)

Razionale

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

• Inquadramento storico ed economico

• Casi di successo

• Ostacoli ad una maggiore diffusione:

� sfavorevole bilancio costi / benefici

� non comprovata efficacia clinica

� processi di produzione MANUALI:

� scarsa ripetibilità e riproducibilità

� scarsa sicurezza

� scarsa scalabilità

� scarsa conformità alle GMP

Terapie Avanzate e Biofarmaci

BIOREATTORI

Wendt D, Riboldi SA et al., Adv Mat (2009)

Razionale18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Dispositivi che consentono lo svolgimento di processi biologici e/obiochimici in condizioni ambientali e operative monitorate, automatizzate e severamente controllate (pH, temperatura, pressione,

apporto di nutrienti e rimozione di cataboliti, etc.).

Martin I et al., Trends Biotech (2004)

I Bioreattori: definizione classica

Introduzione

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori: ruolo nelle Terapie Avanzate

Introduzione

Cellule da biopsia

Coltura in monostrato

Semina e coltura suscaffold 3D

EspansioneGraft ingegnerizzato

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori: ruolo nelle Terapie Avanzate

• Automazione

• Riproducibilità

• Tracciabilità

• Sicurezza

• Scale-up

SOSTENIBILITA‘CLINICA

Sensore/i

Controllore BioprocessoIngresso

Segnalefeed-

forward

Parametri dicontrollo

Disturbo

Prodottocellulare

Sensore/iSegnale retroazione

SOSTENIBILITA‘ECONOMICA

Introduzione

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

CONSOLIDAMENTO delle CONOSCENZE SCIENTIFICHE

INDUSTRIALIZZAZIONE e STUDI PRECLINICI

TRASFERIMENTO alla CLINICA

I Bioreattori nella ricerca scientifica18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori come sistemi di attuazione

• Semina di cellule su scaffold tridimensionali

• Condizionamento fisico di tessuti ingegnerizzati

• Miglioramento del trasporto di massa

I Bioreattori nella ricerca scientifica

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori come sistemi di attuazione

• Semina di cellule su scaffold tridimensionali

I Bioreattori nella ricerca scientifica

Gravità

SEMINA “STATICA”

Perfusione Convezione

SEMINA “DINAMICA”

Wendt et al., Biotech Bioeng (2003)

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori come sistemi di attuazione

• Semina di cellule su scaffold tridimensionali

• Condizionamento fisico di tessuti ingegnerizzati

I Bioreattori nella ricerca scientifica

DAY 7 DAY 10DAY 0

S M S M S M

Riboldi et al., unpublished data (2006)

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori come sistemi di attuazione

I Bioreattori nella ricerca scientifica

COLTURA “STATICA” di COSTRUTTI 3D BIOREATTORI A PERFUSIONE

Trasporto diffusivo Perfusione

Wendt et al., Biorheology (2006)

4 mm ?

• Semina di cellule su scaffold tridimensionali

• Condizionamento fisico di tessuti ingegnerizzati

• Miglioramento del trasporto di massa

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori come sistemi modello

• Identificazione di marcatori e parametri significativi

• Definizione di metodi e protocolli

• Consolidamento delle conoscenze sui meccanismi di base

I Bioreattori nella ricerca scientifica

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

I Bioreattori come sistemi di controllo

• Monitoraggio e controllo dei parametri di coltura

(T, pH, pO2, pCO2, RH, glucosio, lattato, altri)

• Retroazione sugli stimoli e sul condizionamento ambientale

Infors HT, Bottmingen, Switzerland

INDIRETTO(offline, shunt)

INVASIVO(embedded)

NON INVASIVO(non-contact)

= sonda

Rolfe P, Meas Sci Technol (2006)

I Bioreattori nella ricerca scientifica18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Criticità e ostacoli

• Tecnologia per sensoristica e controllo

• Riutilizzabilità, no monouso

• Limitata conoscenza dei meccanismi di base

� High-throughput screening (es. microfluidica)

Grayson WL, Sem Cell Dev Biol (2009)

I Bioreattori nella ricerca scientifica

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

INDUSTRIALIZZAZIONE e STUDI PRECLINICI

CONSOLIDAMENTO delle CONOSCENZE SCIENTIFICHE

TRASFERIMENTO alla CLINICA

I Bioreattori nelle fasi precliniche18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Esempi

Perfused Culture System ®, Synthecon(Houston, TX, USA)

AppliFlex ®, Applikon(Schiedam, The Netherlands)

CellMax ®, Spectrum Laboratories(Breda, The Netherlands)

FiberCell TM, Fiber Cell Systems Inc.(Frederic, MD, USA)

I Bioreattori nelle fasi precliniche

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Esempi

Z ® RP , Zellwerk(Eichstadt, Germany)

OsteoGen, Tissue Growth Technologies (Minnetonka, MN, USA)

CellHost System, Hamilton AG, (Bonaduz, Switzerland)

SelecT™, The Automation Partnership(Royston, UK)

I Bioreattori nelle fasi precliniche18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Funzioni

• Automazione

• Standardizzazione

• Scale-up

• Monitoraggio e controllo

• Sicurezza, asetticità

dei bioprocessi, ad es.:

� ingegnerizzazione di tessuti

� differenziamento di cellule staminali

� produzione di biofarmaci

per studi preclinici (in vitro & in vivo)

OTTIMIZZAZIONE deiBIOPROCESSI

VALIDAZIONE deiBIOPROCESSI

I Bioreattori nelle fasi precliniche

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Kirouac DC and Zandstra PW, Cell Stem Cell (2008)

Ottimizzazione dei bioprocessi

• Bilanciamento Rendimenti / Rischi

I Bioreattori nelle fasi precliniche18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Ottimizzazione dei bioprocessi

• Bilanciamento Rendimenti / Rischi

• Scalabilità (Scale-out ≠ Scale-up)

• Abbattimento dei costi

SCALE-UP

( tipico di prodotti ALLOGENICI )

Mason C and Hoare M, Regen Med (2006)

SCALE-OUT

( tipico di prodotti AUTOLOGHI )

Wendt D, Riboldi SA et al., Adv Mat (2009)

I Bioreattori nelle fasi precliniche

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Validazione dei bioprocessi

• Qualifica di equipment (IQ / OQ / PQ)

• Automazione, ↑ Sicurezza, ↑ Riproducibilità

� ↑ Conformità con richieste regolatorie (GMP)

• ↑ Tracciabilità, Monitoraggio e Controllo

� Convalida dei processi

� Gestione del rischio

� Controllo di Qualità

Kirouac DC and Zandstra PW, Cell Stem Cell (2008)

Wendt D, Riboldi SA et al., Adv Biochem Engin (2009)

I Bioreattori nelle fasi precliniche18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Criticità e ostacoli

• Continua evoluzione nel panorama regolatorio

• Dipendenza dall'ambiente circostante

• Elevati costi di sviluppo

• Necessità di elementi monouso

Tissue Growth Technologies(Minnetonka, MN, USA)

SKE Advanced Therapies(Milano, Italy)

I Bioreattori nelle fasi precliniche

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

TRASFERIMENTO alla CLINICA

INDUSTRIALIZZAZIONE e STUDI PRECLINICI

CONSOLIDAMENTO delle CONOSCENZE SCIENTIFICHE

I Bioreattori nella pratica clinica18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Macchiarini P et al., Lancet (2008)

Un caso pionieristico

I Bioreattori nella pratica clinica

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Esempi

ACTES™ (Autologous Clinical Tissue Engineering System),Octane Biotech Inc., (Kingtson, Ontario, Canada)

Aastrom Biosciences Inc.(Ann Arbor, MI, USA)

I Bioreattori nella pratica clinica18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Sostenibilità clinica

• Comprovata sicurezza

• Comprovata efficacia (trial clinici)

• Conformità alle normative

• Uso di disposable kits

• Training e sensibilizzazione della classe medica

Sostenibilità economica

• Adeguato modello di business (basato sulla gestione del rischio)

• Strategie di rimborso

• Metodo degli “headroom“

• Disseminazione, sensibilizzazione del mercato

QALY = (1 − QoL) × time(in years)

McAteer H et al., J Tiss Eng Reg Med (2007)

I Bioreattori nella pratica clinica

18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

Criticità e ostacoli

CONSOLIDAMENTO delle CONOSCENZE SCIENTIFICHE

INDUSTRIALIZZAZIONE e STUDI PRECLINICI

TRASFERIMENTO alla CLINICA

• Iteratività del processo!

• Cambio di mentalità richiesto

• Modelli economici inadeguati

• Approccio intraoperatorio

= correzioni

I Bioreattori nella pratica clinica18 Marzo 2010

Stefania A. Riboldi

CONSOLIDAMENTO delle CONOSCENZE SCIENTIFICHE

INDUSTRIALIZZAZIONE e STUDI PRECLINICI

TRASFERIMENTO alla CLINICA

Mason C and Dunnill P, Regen Med (2008)

• Potenzialità dei Bioreattori

• Necessità di dialogo tra:

� accademia

� industria

� clinica

• Importanza di una voce

comune

PRODOTTI INGEGNERIZZATI

CLINICAMENTE ED ECONOMICAMENTE

SOSTENIBILI

Conclusioni e prospettive future

Grazie per l’attenzione

Stefania A. RiboldiR&D Tissue Engineering

Bioengineering Laboratories S.p.A.Tel. 031 7377739

sriboldi@bioengineeringlab.com