Exposición Biotecnología: VACUNA Introducción La primera inoculación de patógenos para provocar la reacción del sistema inmunológico para provocar una reacción del sistema inmunitario, fue en el siglo X en China. Ellos tomaban las pústulas de la viruela para realizar variolización, pues sabían que esto reduciría la virulencia del patógeno. Virulencia: Grado de patogenicidad de una cepa, serotipo o colonia microbiana en un huésped susceptible. Para occidente, Edward Jenner (1749-1823) fue el descubridor en 1770. Descubre que las personas infectadas con viruela bovina (menos letal) no contraían la viruela humana (altamente mortal). Para comprobar su hipótesis, inoculó a una niño de 8 años con pus de la llaga de una mujer con viruela bovina y él se volvió inmune. La introducción a la inmunización ha permitido beneficios incuestionables, se ahorra el costo de los tratamientos, se reduce la incidencia de enfermedades infecciosas y se reduce la mortalidad. ¿Qué son las vacunas? Son productos biofarmacéuticos que estimulan las defensas naturales del organismo y lo preparan para combatir enfermedades. Dependen del principio de memoria inmunológica: Entrenar el sistema inmunológico para producir anticuerpos frente a un determinado patógeno y reproducirlos a largo plazo. ¿De qué están hechas las vacunas? ● Antígeno: Parte ínfima o versión atenuada o inocua del patógeno. ● Estabilizantes: Impiden que se produzcan reacciones químicas en la vacuna. También evita que los componentes de la vacuna se adhieran al vial. ○ Azúcares: Lactosa o sacarosa. o ○ Aminoácidos: Glicina. ○ Gelatina y proteínas: Albúmina humana recombinante, derivada de levaduras. ● Conservantes: Impiden que las vacunas se contaminen cuando el vial es para vacunar más de una persona, es decir que este componente no es normalmente usado en viales monodosis pues se desechan tras su administración. ○ 2-phenoxyethanol (baja toxicidad). ● Sustancias tensioactivas: Sustancias que permiten conseguir y mantener una mezcla homogénea de todos los ingredientes de la vacuna. Evita que elementos se asienten o aglutinen. ○ ● Sustancias residuales: (Partes por millón) ínfimas cantidades de sustancias utilizadas durante la fabricación. ○ Proteína de huevo, levaduras o antibióticos. ● Diluyente: Es un líquido utilizado para diluir una vacuna en la concentración correcta, inmediatamente antes del uso. ○ Agua esterilizada. ● Coadyuvante: Mejora la respuesta inmunitaria de la vacuna, reteniendo la vacuna en el lugar de la inyección durante más tiempo o estimulando las células inmunitarias. ○ Fosfato de aluminio. ○ Hidróxido de aluminio. ○ Alumbre potásico. ○ Mercurio. ¿Cuáles son los tipos de vacunas? ● Vacunas vivas atenuadas: Se derivan de virus o bacterias causantes de una enfermedad que han sido atenuados o debilitados bajo condiciones de laboratorio. Los microorganismos crecerán en la persona vacunada (se consideran, por lo mismo, vacunas inefectivas), pero al ser débiles, no causarán la enfermedad o sólo provocarán una forma muy leve de ésta (infección subclin ́ ica). ● Vacunas vivas inactivadas: Se producen por medio de cultivos de virus o bacterias que son inactivadas con calor o substancias quim ́ icas (se consideran, por lo tanto, no infectivas). Incorporan un agente infeccioso previamente inactivado, de forma tal que no provoca la enfermedad, pero sí genera una respuesta inmune que permite prevenir o mitigar la enfermedad. ● Vacunas recombinantes: Se producen insertando material genético relacionado con la virulencia de un organismo causante de una enfermedad dentro de células inocuas (por ejemplo, levaduras) que fabrican las protein ́ as del agente infeccioso como el antig ́ eno de superficie del virus de la hepatitis B. Posteriormente, las protein ́ as son purificadas y usadas como vacuna. ● Vacunas de ácidos nucleicos: Estas vacunas entrenan a las células de las personas vacunadas para producir una protein ́ a, o incluso una porción de una protein ́ a, que desencadena una respuesta inmunitaria dentro de nuestro organismo. Las vacunas de ARNm no contienen virus vivos ni causan la enfermedad contra la que van dirigidas. Es importante sena ̃ lar que el ARNm no afecta ni interactúa con el ADN de las personas vacunadas, dado que el ARNm se desintegra al poco tiempo de haber terminado de proporcionar sus instrucciones. ● Toxoides: Es una toxina que ha sido modificada mediante procedimientos fiś icos o quim ́ icos para que pierda su efecto tóxico pero que conserva su inmunogenicidad. ● Inmunoglobulinas (Ig): Las inmunoglobulinas constituyen una familia de glucoproteínas sintetizadas por los linfocitos B maduros y las células plasmáticas. La inmunoglobulina de administración intramuscular contiene anticuerpos provenientes del plasma humano; tiene del 10 al 18 % de proteínas obtenidas por fraccionamiento en frío con etanol a partir de grandes muestras de plasma. ○ La inmunoglobulina intravenosa: es un preparado especial que contiene aproximadamente 5 % de proteína y está indicada para el tratamiento sustituto en inmunodeficiencias primarias, para el tratamiento de la Enfermedad de Kawasaki y de la Púrpura Trombocitopénica Idiopática. ○ La inmunoglobulina específica: consiste en preparados especiales obtenidos de donadores preseleccionados por el alto contenido de anticuerpos contra una enfermedad especif́ ica como la inmunoglobulina anti-hepatitis B, la inmunoglobulina contra la varicela, la inmunoglobulina antirrábica y la inmunoglobulina antitetánica. Fisicoquímica Tamaño de partículas: El tamaño es importante en los sistemas de administración de vacunas. Las nanopartículas menores de 200 nm generalmente presentan una mayor respuesta inmunogénica que las micropartículas mayores de 1 micrón. Esta afirmación bastante simple se basa en el entendimiento común de que las partículas con tamaños similares a las dimensiones de los virus son tratadas como virus por el cuerpo. En el caso de la fabricación de la nueva vacuna COVID-19, los adenovirus de aproximadamente el mismo tamaño que el SARS-Cov-2 (media de aproximadamente 90-100 nanómetros) se manipulan como portadores (o vectores virales) para desencadenar la producción de proteínas de pico. En contraste, la literatura publicada mostró que el efecto de las vacunas administradas por vía oral, intranasal o a través de otras superficies mucosas favorece las formulaciones de micropartículas sobre las de nanopartículas debido a una mayor carga de antígenos. El tamaño de las impurezas también afecta significativamente la eficacia de la vacuna. En resumen, muchos ingredientes de la formulación de vacunas deben tener un tamaño de partículas, una distribución de tamaño y un recuento controlados durante todo el proceso de desarrollo, fabricación, almacenamiento y administración. Viscosidad La viscosidad del inyectable tiene un impacto significativo en el dolor percibido durante la inyección. Las inyecciones de baja viscosidad de 1 mPa*s se perciben como más dolorosas que las inyecciones de mayor viscosidad de 15-20 mPa*s. Sin embargo, una viscosidad demasiado alta puede provocar una oclusión del sistema de inyección, lo que dificulta completar la inyección y, por lo tanto, supone un riesgo para los pacientes. La viscosidad también afecta al tiempo de inyección y a la elección del diámetro de la aguja. Además, el volumen del medicamento se puede reducir con una solución más viscosa. Isotonicidad Una solución isotónica es aquella que tiene la misma concentración de solutos que otra solución, con frecuencia la comparación se realiza con los fluidos del cuerpo humano. El término 'isotónico' deriva del griego 'iso-', que significa 'igual', y 'tonos', que significa 'tensión'. En términos más técnicos, una solución isotónica es aquella cuya concentración de solutos produce la misma presión osmótica que otra solución con la cual se compara. En medicina, la comparación se realiza a menudo con los fluidos corporales, que tienen una presión osmótica de aproximadamente 285 a 295 miliosmoles por litro (mOsm/L). Un ejemplo comúnmente citado de una solución isotónica es el suero salino normal, una solución acuosa de cloruro de sodio (sal) al 0.9%, que se asemeja a la concentración de sal en los fluidos del cuerpo. Las soluciones isotónicas tienen una serie de aplicaciones en la medicina. A menudo se usan en la administración intravenosa de fluidos para tratar la deshidratación, reemplazar los fluidos perdidos durante una cirugía o estabilizar el equilibrio de fluidos y electrolitos en un paciente. El uso de una solución isotónica en estos casos ayuda a mantener el equilibrio de fluidos entre los compartimentos intracelulares y extracelulares del cuerpo, evitando así el movimiento de agua que podría producirse si se utiliza una solución hipotónica o hipertónica. https://repositoriouapa.cuaieed.unam.mx/repositorio/moodle/pluginfile.php/2498/mod_resource/content/6/UAP A-Soluciones-Calculos-Concentracion/index.html Estabilidad térmica: Las altas temperaturas pueden desnaturalizar (es como desenredar una lana) las proteínas de la vacuna, afectando su eficacia. Por ello, muchas vacunas requieren refrigeración. PROPIEDADES QUÍMICAS pH: El pH es una propiedad química que describe la acidez o alcalinidad de la vacuna. Afecta la estabilidad de los componentes activos, como las proteínas o antígenos. Las proteínas que componen las vacunas son sensibles a los cambios de pH. Un pH óptimo garantiza que la vacuna mantenga su eficacia durante el almacenamiento y transporte. Solubilidad: Es una propiedad química que indica la capacidad de los componentes de la vacuna para disolverse en el solvente (generalmente agua). Afecta la uniformidad de la dosificación. Carga iónica: La carga iónica es una propiedad química que se refiere a la distribución de cargas eléctricas en los componentes de la vacuna. Afecta la estabilidad y la interacción entre los componentes. La carga eléctrica en la superficie de las partículas puede afectar su interacción con las células inmunitarias. Al modificar la carga, se puede mejorar la captación del antígeno por estas células. Compatibilidad con excipientes: Es una propiedad química que se refiere a cómo los componentes de la vacuna interactúan con los excipientes (adyuvantes, conservantes) sin causar reacciones adversas o degradación. Son sustancias que se añaden a las vacunas para mejorar su estabilidad y facilitar su administración. Por ejemplo, pueden ayudar a disolver los componentes de la vacuna, protegerla de la luz o prevenir la formación de grumos. Son sustancias que se añaden a las vacunas para potenciar la respuesta inmunitaria. Funcionan de varias maneras: ● ● Depósitos en el lugar de la inyección: Forman una especie de "depósito" en el lugar donde se aplica la vacuna, liberando el antígeno de forma lenta y prolongada. Esto permite que el sistema inmunitario lo detecte durante más tiempo y genere una respuesta más fuerte. Activación de células inmunitarias: Estimulan directamente a las células del sistema inmunitario, como las células dendríticas, para que presenten el antígeno de manera más eficaz. Presencia de estabilizantes: Aunque los estabilizantes pueden tener un impacto en las propiedades físicas, su función y efecto están principalmente relacionados con la química, ya que protegen los componentes activos a nivel molecular. Liposomas: Son pequeñas vesículas esféricas compuestas por una bicapa lipídica (similar a la membrana celular). Se utilizan para encapsular antígenos y protegerlos de la degradación. Además, los liposomas pueden ayudar a dirigir los antígenos hacia ciertas células del sistema inmunitario. Formulación matemática (Balance y energía) ● 𝑄𝑖𝑛 : Cantidad de biomasa que ingresa ● 𝑛𝑖𝑛 : Número de células por unidad de volumen en la entrada ● 𝑝𝑥,𝑖𝑛 : Abundancia relativa del microorganismo x en el flujo de ingreso ● 𝜇𝑥 ::Tasa de crecimiento en el reactor para el microorganismo x ● 𝑉𝑟𝑒 : Volumen del reactor 𝑑(𝑉𝑟𝑒 × 𝑛𝑟𝑒 × 𝑝𝑥,𝑟𝑒 ) 𝑑𝑡 = 𝑄𝑖𝑛 × 𝑛𝑖𝑛 × 𝑝𝑥,𝑖𝑛 − 𝑄𝑒𝑓𝑓 × 𝑛𝑒𝑓𝑓 × 𝑝𝑥,𝑒𝑓𝑓 + 𝜇𝑥 × 𝑉𝑟𝑒 × 𝑛𝑟𝑒 × 𝑝𝑥,𝑟𝑒 Esta biomasa de entrada se compone de las células donde reproducimos el virus modificado para que porte el gen del antígeno. Las células se reproducen, el virus se propaga. Para luego se les induzca una lisis celular, que en ese estado es la biomasa de salida. Para este equilibrio de masa describe cómo cambia la cantidad de microorganismos � en el reactor a lo largo del tiempo. 𝑄𝑎𝑐 = 𝑄𝑔𝑒𝑛 + 𝑄𝑎𝑔 + 𝑄𝑎𝑖𝑟 − 𝑄𝑧𝑒𝑛 − 𝑄𝑖𝑛𝑡 + 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 ● ● ● ● ● ● ● 𝑄𝑎𝑐 : Calor Acumulado 𝑄𝑔𝑒𝑛 : Calor Generado 𝑄𝑎𝑖𝑟 : Calor de Agitación 𝑄𝑧𝑒𝑛 : Calor Sensible 𝑄𝑖𝑛𝑡 : Calor Intercambio 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 : Calor del Evaporador 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑐𝑢𝑎𝑟 : Calor a Evacuar 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑐𝑢𝑎𝑟 = 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 − 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 El biorreactor se debe someter a una aireación forzada, las reacciones en los biorreactores generan calor, y es importante mantener una temperatura controlada por lo que se induce. Este cálculo es importante para dimensionar correctamente los sistemas de ventilación. La temperatura adecuada es fundamental para asegurar que las células o microorganismos en el reactor no se dañen por sobrecalentamiento Esquema tecnológico El proceso de producción de vacunas es complejo e involucra múltiples etapas para garantizar la pureza, seguridad y eficacia del producto final. El diagrama de flujo de procesos proporcionado muestra un proceso detallado de la producción de vacunas de vectores virales. Descripción del Diagrama ● Upstream: Es la parte inicial del proceso donde se lleva a cabo la producción celular. El contenido del biorreactor después pasa por el proceso de lisis celular. Bacterial Antigen Production: (NO es nuestro diagrama pero explicar para dar contexto) ○ Medio de Cultivo: Se pesa y añade el medio en polvo a un recipiente de preparación. Luego, se disuelve en agua de alta calidad y se esteriliza mediante filtración por membrana o calor. ○ Cultivo Bacteriano: Las bacterias se cultivan en fermentadores que pueden tener una capacidad de hasta 5,300 L, asegurando condiciones estériles para evitar contaminaciones. Los cultivos se incuban bajo condiciones adecuadas para el crecimiento de las bacterias aeróbicas o anaeróbicas, dependiendo del organismo. ○ Transferencia y Aislamiento: Las primeras transferencias se realizan en condiciones de alta seguridad para evitar contaminaciones, y luego se escala el proceso a fermentadores más grandes utilizando conexiones cerradas y sistemas computarizados. ○ Concentración y filtración: Se concentra el antígeno mediante filtros de membrana de fibra hueca, y se realiza una filtración adicional para remover sólidos antes de proceder a la inactivación química de los organismos. Viral Antigen Production: (Sí es nuestro caso) ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Cultivo de Virus: Los virus, que no pueden replicarse por sí mismos, se producen en células huésped como células de mamíferos o insectos. Este proceso puede tardar semanas, y las células se almacenan en nitrógeno líquido a temperaturas inferiores a -100°C. Bioreactor: Esterilización de Venteo: Antes de que el biorreactor entre en operación, se realiza una esterilización del venteo utilizando un filtro (AseptiSure TH o AseptiVent VF con AseptiVent TF de 0.2 µm). Lisis Celular: Este proceso rompe las células para liberar el contenido intracelular, que es donde se encuentra el material de interés para la producción de la vacuna. Eliminación del ADN: Tras la lisis, se eliminan las impurezas, incluido el ADN de las células huésped que no es necesario para el producto final. Clarificación: La clarificación es el primer paso en la purificación del material biológico después de la lisis celular. Su objetivo es eliminar los desechos celulares grandes y otras partículas que resultan de la ruptura de las células huésped, como los restos de membranas celulares, organelos y otros componentes insolubles. Se realiza la clarificación mediante un filtro ClariSure GS de 0.1 µm (o ClariCap GS), que ayuda a eliminar partículas más grandes y desechos celulares. Filtración para Reducir la Carga Bacteriana: Utiliza filtros con poros que varían entre 0.1 y 0.2 micrómetros para remover microorganismos AseptiSure HS (o AseptiCap KS de 0.2 µm), como bacterias y algunas partículas virales, que podrían estar presentes en la suspensión. Este tipo de filtración asegura la esterilidad del producto antes de las etapas más avanzadas de purificación. Cromatografía: La cromatografía es un proceso de purificación altamente específico que se utiliza para separar y purificar los componentes de la mezcla basada en sus propiedades físicas y químicas, como el tamaño, carga y afinidad por ciertos ligandos. Concentración: El material purificado se concentra para aumentar la densidad de la vacuna en el producto final. Esto es necesario para asegurar que la vacuna tenga la potencia adecuada. ● Downstream: Es la etapa final del proceso. Aquí se incluye la formulación, almacenamiento y embotellado del producto final. ○ Concentración y Filtración de Flujo Tangencial: El producto se concentra aún más y se realiza una filtración de flujo tangencial para asegurarse de que todas las partículas no deseadas sean removidas. ○ Esterilización del Búfer: Antes de la formulación y embotellado, el búfer que se utiliza se esteriliza utilizando un filtro AseptiCap KS de diferentes tamaños. ○ Formulación: El producto activo se mezcla con otros componentes necesarios para la formulación final de la vacuna. ○ Liofilización (si aplica): Para las vacunas que lo requieren, se realiza un proceso de liofilización que permite una larga conservación del producto. ○ Embotellado y Esterilización: Finalmente, el producto formulado se embotella y pasa por un proceso de esterilización final antes de ser almacenado y distribuido. Aplicación de la IA La inteligencia artificial no sólo se ha utilizado para facilitar y acelerar los procesos de descubrimiento, sino también para obtener conocimientos y detectar patrones que no se conocían antes. ● Mantenimiento Predictivo de Equipos: Sensores integrados en equipos como biorreactores, filtros y sistemas cromatográficos pueden recolectar datos sobre el funcionamiento de los equipos y detectar patrones que podrían indicar un fallo inminente. ● Trazabilidad y Análisis de Lotes: Ayuda en la trazabilidad completa del producto desde la materia prima hasta el producto final, permite identificar correlaciones entre diferentes lotes de producción y la calidad final del producto. ● Optimización del Embotellado y Empaquetado: Sistemas de IA equipados con visión por computadora pueden monitorear el proceso de llenado y etiquetado para asegurar que cada vial sea llenado con el volumen correcto y etiquetado adecuadamente. Otros conceptos clave: Inocular: Introducir microorganismos, como bacterias, hongos o virus, en un organismo, sustrato, o medio de cultivo con el propósito de causar una reacción específica, como la fermentación, la inmunización, o el crecimiento de cultivos. Virulento: Un microorganismo virulento es altamente infeccioso, tóxico o agresivo, lo que significa que tiene una gran capacidad para invadir, reproducirse y dañar el tejido del huésped, provocando síntomas intensos o incluso mortales. Producto recombinante: sustancias que se crean mediante la tecnología del ADN recombinante, un proceso que implica la combinación de material genético de diferentes fuentes para generar nuevas secuencias de ADN que no existen en la naturaleza / es una molécula de ADN artificial formada de manera deliberada in vitro por la unión de secuencias de ADN provenientes de dos organismos distintos que normalmente no se encuentran juntos. Al introducirse este ADN recombinante en un organismo, se produce una modificación genética que permite la adición de una nueva secuencia de ADN al organismo, conllevando a la modificación de rasgos existentes o la expresión de nuevos rasgos. La producción de una proteína no presente en un organismo determinado y producidas a partir de ADN recombinante, se llaman proteínas recombinantes. El proceso consiste en tomar una molécula de ADN de un organismo, sea virus, planta o una bacteria y en el laboratorio manipularla y ponerla de nuevo dentro de otro organismo. Esto se puede hacer para estudiar la expresión de un gen, para producir proteínas en el tratamiento de una enfermedad genética, vacunas o con fines económicos y científicos
