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ISSN 2604-7071
  • Original article / Medicine and Health Sciences

    Vaccines and lyophilization

    Vacunas y liofilización

    Authors: Alfons Ubach Casas

    Keywords: Vaccines. Lyophilization. COVID-19

    Keywords: Vacunas. Liofilización. COVID-19

    Abstract: Vaccination has historically been one of the most important advances in the fight of mankind against infectious diseases such as diphtheria, tetanus, measles or rubella, among others, and thanks to which many of them are considered almost eradicated in Europe. Of the aforementioned, as is the case of tetanus in Spain, the resurgence, rebound or increase in its incidence is mainly due to the non-administration of the respective vaccines. Being so, there are limiting circumstances regarding their administration to the general population and these factors, such as the difficulty of their distribution to countries with little stability, underdeveloped or rural areas or without the nec-essary technological equipment to store them, are the ones that prevent their supply in these terri-tories.

    Abstract : La vacunación ha sido, históricamente, uno de los avances más importantes en la lucha de la humanidad contra enfermedades infecciosas tales como la difteria, el tétanos, el sarampión o la rubeola, entre otras, y gracias a la cual muchas de ellas se consideran casi erradicadas en Europa. De las mencionadas anteriormente, como es el caso del tétanos en España, el rebrote, repunte o aumento de su incidencia se debe principalmente a la no administración de las respectivas vacunas. Siendo así, existen circunstancias limitantes en cuanto a su administración a la población generalizada y son estos factores, como la dificultad de su distribución hasta países con poca estabilidad, áreas subdesarrolladas, rurales o sin las dotaciones tecnológicas necesarias para almacenarlas, los que previenen de su suministración en estos territorios.


    Citation: Alfons Ubach Casas. Vacunas y liofilización. https://:doi.org/10.24175/sbd.2021.000007
    Received: March 02, 2021  Accepted: March 02, 2021  Published: March 08, 2021
    Copyright: © 2021 Alfons Ubach Casas. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY-NC), which allows, distribution, reproduction in any medium, provided the original author and source are credited and non-commercial use.
    Funding: I certify that no funding has been received for the conduct of this study and/or preparation of this manuscript.
    Conflicts of Interest: I have no conflicts of interest to declare

    

    Vaccines and lyophilization

    Vacunas y liofilización

    El caso más actual relacionado con esta limitación fue publicado en los medios de comunicación hace tan solo un mes: el reto que presenta la formulación de la vacuna contra el SARS-CoV-2 propuesta por BioNTech, Fosun Pharma y Pfizer, una de las 10 que se encuentran en fase III, en cuanto a su almacenamiento en el formato predefinido. No es de extrañar que los términos 'vacuna coronavirus' alcanzaran su pico máximo en búsquedas de Google en España durante la semana del 15 al 21 de marzo de este año (Gráfico 1), justo cuando el país se estaba sumiendo en una serie de medidas de restricción de movilidad que se alargarían durante los meses siguientes. En cambio, curiosamente, el punto de interés más alto alcanzado por el término 'vacuna' se produjo durante la semana del 8 al 14 de noviembre (Gráfico 1), coincidiendo con el momento que esta información vio la luz pública.

    Esta vacuna tiene la particularidad que debe ser conservada a una temperatura muy baja, inferior a los -70ºC, hecho que a día de hoy supone un desafío para su viabilidad ya que, incrementa exponencialmente el coste de hacerla llegar a todos los países que la requieran. De este modo, independientemente de lo efectiva que sea esta solución frente la afectación del virus, a no ser que la suspensión se pueda estabilizar para su almacenamiento y posterior distribución, su potencial como vía para frenar las infecciones y detener la ola de contagios a nivel mundial será muy limitada. Es por esta razón que, conscientes de este escenario, el grupo de expertos encargados de su desarrollo están trabajando desde hace tiempo, en paralelo, en otro tipo de presentación para su vacuna, el formato liofilizado.

    Naturaleza de las vacunas

    Las vacunas se clasifican según su tipo de antígeno, y acorde al U.S. Department of Health & Human Services, se pueden diferenciar las siguientes nueve categorías: vacunas vivas atenuadas, inactivadas, de subunidad, recombinantes, polisacáridas, combinadas y toxoides, además de tipos de más nuevos como son las de ADN y las vacunas de vectores recombinantes. Esta pluralidad, unida a la complejidad macro- molecular de los virus y bacterias como, por ejemplo, virus envueltos en proteínas o con tamaños tan diferentes entre ellos como el poliovirus (30 nm) o la viruela (300 nm), añaden complicaciones a la hora de desarrollar una formulación ya que se debe tener en cuenta la naturaleza de los principios activos, en este caso, células vivas o partes de ellas. Además, se le suma la selección de los excipientes, que debe proveer un medio adecuado para estos, así como el mismo disolvente y las compatibilidades e interacciones entre todos ellos. De este modo, la potencia de una vacuna, su estabilidad y eficacia están intrínsecamente ligadas con su formulación y producción, que debe ser cuidadosamente diseñada para minimizar cualquier riesgo de pérdida de los atributos mencionados. Además, no solamente es crucial la selección en sí de los agentes que intervienen en la fabricación de la disolución, sino también en el caso que la vacuna no sea estable a temperatura ambiente o refrigerada, como en el caso de la de Pfizer, la concepción de un ciclo de liofilización específico con la finalidad de reducir el estrés al que es sometida esta compleja mezcla en cada una de las etapas de dicho ciclo.

    El proceso de liofilización

    La liofilización es comúnmente utilizada en la actualidad para fabricar todo tipo de productos farmacéuticos y biológicos para evitar o retardar su degradación, y aunque, aparentemente parece un simple proceso de secado con un cambio de fase (de sólido a gas), no es tan evidente. Se trata de un proceso de estabilización en el que se congela la solución y de la cual se extrae el disolvente de la fase sólida, mediante sublimación y desorción en condiciones de baja presión. Su objetivo no es otro que, conseguir reducir la labilidad de estos componentes tan delicados presentes en la formulación, con el fin de mantener la estructura creada durante la solidificación una vez retirado el solvente y proteger las propiedades funcionales de los ingredientes biológicos activos. De esta manera, se logra aumentar el tiempo de vida útil del medicamento, reduciendo, además, las exigencias de conservación y hasta, en algunos casos, eliminar la cadena del frío en su proceso de distribución, beneficios deseados que los científicos de Pfizer desean lograr aplicar a su propuesta.

    Un ciclo de liofilización se puede dividir principalmente en cuatro etapas: congelación, evacuación, secado primario y secado secundario (Gráfico 2). Cada una de ellas es importante en sí misma, aunque es en el transcurso de la congelación y el secado primario dónde se considera que intervienen los factores más críticos a tener en cuenta durante el proceso.

    La congelación

    El primer paso para obtener un producto liofilizado es la solidificación del medio de la disolución. Se debe destacar que los agentes biológicos activos, células vivas con un equilibrio muy frágil, están sujetos a un fuerte estrés debido a la crio-concentración que ocurre durante este proceso y pueden provocar cambios de pH en el medio, a veces letales para ellos. En caso de utilizarse el disolvente más frecuente en la industria biofarmacéutica, agua para inyección, es por todos conocido que su punto de congelación es los 0ºC. Ahora bien, hay varios aspectos que provocan que la nucleación de la solución, el punto en que se inicia la formación de cristales de agua sólida, y, por lo tanto, empieza la congelación, sea en un rango de temperaturas inferior a ese punto. Existen varios elementos que pueden provocar la nucleación espontánea tales como la misma presencia de los excipientes y principios activos en la solución, así como las condiciones de proceso, las características del recipiente o la presencia de partículas, entre otros. Estos provocan la aparición de heterogeneidad dentro de las muestras de un mismo lote, es por esta razón que caracterizar y controlar el momento en que empieza la nucleación es hoy, y ha sido históricamente, uno de los mayores retos en la estandarización del proceso de producción de un liofilizado. Para conseguir una congelación total del medio, se debe llevar la disolución a una temperatura en la cual se consiga minimizar al máximo la movilidad, fenómeno que ocurre por debajo de su temperatura de transición vítrea (Tg) característica de cada producto.

    En la misma medida que la temperatura de nucleación, la velocidad de congelación es igual de importante. Ambos factores tienen influencia sobre la estructura final que tendrá el sólido y ésta determinará la velocidad de sublimación durante el secado primario. Una congelación lenta, con velocidades del orden de 0.1ºC-1.0ºC/minuto, promocionan el crecimiento de los cristales de agua, obteniendo cristales más grandes y una estructura con canales más amplios que favorecerán el paso del vapor. Los equipos de liofilización están diseñados de manera que se consigue una ratio de enfriamiento de las placas de entre 0.25ºC-2ºC/ minuto. Velocidades de congelación superiores, pueden crear una matriz de cristales más pequeños en el seno de la estructura sólida que pueden dificultar la migración del vapor en el momento de la sublimación.

    De igual forma, hay tipos de excipientes comunes que se añaden a las formulaciones que requieren de tratamientos térmicos en este paso con el mismo objetivo, obtener una estructura sólida que propicie una liofilización segura. El tratamiento térmico, denominado annealing, debe llevarse a cabo por encima de la temperatura de transición vítrea, ya que es el proceso mediante el cual se le aporta suficiente energía a la mezcla para facilitar la movilidad de la estructura, sin descongelarla, con el fin de reordenar y promocionar el crecimiento de todos esos cristales formados anteriormente.

    Cuando la muestra se encuentra totalmente solidificada se procede a disminuir la presión del entorno en el cual se encuentra la muestra, extrayendo el aire del conjunto de la estancia para realizar el siguiente paso en condiciones favorables para la sublimación del disolvente.

    El secado primario

    Una vez se cumplen estas condiciones de vacío necesarias, se aporta energía a la muestra mediante las placas para lograr el cambio de estado del agua de sólido a gas para empezar el secado primario. La criticidad de esta etapa recae en la definición de las condiciones de proceso, que son características y específicas para cada una de las distintas formulaciones. De este modo, se deberá buscar ajustar una velocidad de sublimación adecuada según la estructura formada durante la congelación de manera que los parámetros de proceso (presión, temperatura y tiempo), sean los idóneo y no dañen los agentes biológicos activos. Al fin y al cabo, se trata de extraer el agua de la muestra, deshidratando los alrededores y las mismas paredes celulares de virus y bacterias, las cuales pueden sufrir roturas, agregaciones o desnaturalizaciones, causando la pérdida de su viabilidad y/o potencia. Es esencial tener en cuenta una de las características más importantes del producto congelado como es la temperatura de colapso (TC). Este valor marca la temperatura límite que es capaz de soportar la estructura de la mezcla en condiciones de vacío sin que suponga, como su nombre indica, el colapso del esqueleto que aguanta el producto. Rebasarla significa derrumbar la matriz que conforma el producto tal y como es. Un cambio en ésta puede afectar el resultado esperado del producto liofilizado.

    Al final de esta etapa de secado primario, se habrá eliminado entre el 80 y el 95% del agua presente en la muestra. El remanente se retira mediante desorción en la etapa de secado secundario. En este paso también juegan un papel clave la definición de los parámetros mencionados anteriormente, ya que determinarán la humedad final y este porcentaje de agua fijará las condiciones de conservación y almacenamiento del producto acabado.

    El gran reto

    Si encontrar la formulación de una vacuna efectiva en tiempo récord ya es difícil de por sí, su proceso de estabilización por liofilización no es tarea evidente. Añadirle tal dimensión de complejidad a su proceso de fabricación mediante la liofilización sólo se aborda en esos casos en los que se estima de extrema necesidad, como en el producto propuesto por Pfizer. En este caso, el hecho de aplicar esta tecnología a esta vacuna en concreto aportaría unos beneficios mucho mayores para la sociedad si tenemos en cuenta su distribución alrededor del mundo.

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Alfons Ubach Casas
aubach@comserpharma.com
Freeze Dry Solutions (COMSER)


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DOI: 10.24175/sbd.2021.000007

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