Phương pháp tự động hóa cho kiểm soát môi trường (EM): Ứng dụng vi sinh tự động cho giám sát môi trường phòng sạch

Tổng quan về kiểm soát môi trường phòng sạch

Sự đầu tư lớn trên toàn bộ chuỗi giá trị sản xuất sinh học – từ R&D đến công nghiệp hóa và di dời sản xuất đã dẫn đến sự bùng nổ trong lĩnh vực sinh học ở châu Âu, nhằm cải thiện khả năng cạnh tranh và bắt kịp với các khu vực khác như Hoa Kỳ.

Trong bối cảnh này, tối ưu hóa kiểm soát quy trình sản xuất sinh học và giám sát môi trường trong ngành dược sinh học là chìa khóa để hỗ trợ khả năng cạnh tranh của các công ty, không còn để kiểm soát chất lượng trở thành nút thắt cổ chai trong chuỗi giá trị sản xuất sinh học mà thực sự trở thành giá trị gia tăng.

Các kiểm soát vi sinh như giám sát môi trường, kiểm tra tải vi sinh, phát hiện mycoplasma, kiểm soát vô trùng trong quá trình, kiểm tra vô trùng trên sản phẩm hoàn chỉnh, kiểm tra nội độc tố vi khuẩn, mô phỏng quy trình vô trùng, cũng như xác định ô nhiễm, v.v. là một phần không đầy đủ của Giám sát Chất lượng Thông minh (SQM) có thể được thiết lập trong ngành dược phẩm.

Trong các kiểm soát vi sinh SQM định kỳ trong sản xuất sinh học hoặc sản xuất ATMP, có 3 ứng dụng chính cho công nghệ Vi sinh Nhanh và/hoặc Tự động:

Giám sát Môi trường (EM)
Kiểm soát trong quá trình (IPC)
Kiểm soát sản phẩm hoàn chỉnh

Tóm tắt nội dung

GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG – EM

Các yêu cầu quy định cho việc phân loại và giám sát các phòng sạch đã được chi tiết trong các tài liệu tham khảo khác nhau như Thực hành sản xuất tốt (GMP) (EU GMP Phụ lục 1), hướng dẫn của FDA “Hướng dẫn cGMP cho ngành công nghiệp”, các chương trong dược điển như USP <1116> kiểm soát vi sinh và giám sát môi trường vô trùng, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 14644 & 14698 và báo cáo kỹ thuật PDA – TR13 “Nền Tảng của Chương Trình Giám sát Môi Trường”. Những tài liệu tham khảo này mô tả EM như một yếu tố chính trong việc đảm bảo rằng các môi trường sản xuất vô trùng được giữ sạch sẽ khỏi ô nhiễm vi sinh vật tiềm ẩn, đồng thời đảm bảo tính toàn vẹn hoàn toàn của dữ liệu liên quan đến mẫu từ khi thu thập cho đến khi ô nhiễm được xác định.

Phương pháp tham chiếu để giám sát sự ô nhiễm của các phòng sạch là sử dụng các đĩa môi trường nuôi cấy đã được chiếu xạ với các kích thước khác nhau (90mm và tiếp xúc/55mm), cho phép thu hồi hệ thực vật môi trường theo các công thức môi trường khác nhau. Sau khi mẫu được thu thập trong một phòng sạch và đĩa môi trường nuôi cấy được vận chuyển đến phòng thí nghiệm Kiểm soát Chất lượng, việc kiểm tra đĩa bắt đầu sau khi ủ ở nhiệt độ và thời gian thích hợp, để đếm các Đơn vị Tạo Thành (CFU) trên bề mặt của môi trường bởi một nhân viên có đủ trình độ. Để có thể nhìn thấy và “phát hiện”, các vi sinh vật phải phát triển thành các thuộc địa vĩ mô rõ ràng có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Kiểm soát EM và đếm do đó là một quá trình hoàn toàn trực quan và thủ công, được thực hiện bởi con người với hiệu suất đếm có sự biến thiên – mặc dù có trình độ.

CÁC LỖI ĐẾM

Hai bài báo (Sutton, Leblanc) đã công bố chứng cứ về sự biến đổi tự nhiên giữa các nhân viên có trình độ thực hiện kiểm tra trực quan các đĩa EM. Ngoài ra, từ năm 2011 đến 2018, trong tất cả các Thư Cảnh Báo của FDA về thực hành kém liên quan đến việc sử dụng môi trường nuôi cấy cho EM, 50% liên quan đến các lỗi đếm!

Tính chất thủ công và sự chủ quan của phân tích con người trong việc phát hiện các “sự kiện” vi sinh nhỏ trên các đĩa môi trường nuôi cấy có thể tạo ra các vấn đề FP hoặc FN trong kết quả đếm các thuộc địa trên đĩa Petri. Tác động có thể vừa công nghiệp vừa kinh tế trong trường hợp FP, nhưng cực kỳ nghiêm trọng về sức khỏe cộng đồng với các kết quả FN nếu sự ô nhiễm không được phát hiện trong môi trường sản xuất của các sản phẩm tiêm trong kiểm soát môi trường lớp A hoặc trong một thiết bị cách ly.

CÁC VẤN ĐỀ VỀ TRUY VẤN DỮ LIỆU VÀ TÍNH TOÀN VẸN

Hơn nữa, phương pháp tham chiếu thủ công này cũng chịu nhiều lỗi về truy vết dữ liệu và tính toàn vẹn, do, trong số những lý do khác, chữ viết tay của các nhân viên và việc viết thủ công trên các đĩa môi trường nuôi cấy hoặc thậm chí trên giấy. Do đó, tính toàn vẹn của dữ liệu không thể được bảo toàn hoàn toàn. Một phân tích các Thư Cảnh Báo của FDA đã được thực hiện từ năm 2013 đến 2018 và tỷ lệ liên quan đến các vấn đề “Tính Toàn Vẹn Dữ Liệu” đã tăng từ gần 25% lên 45%, điều này trong khoảng thời gian quan sát đại diện cho hơn một phần ba các thiếu sót được ghi nhận!

Trong toàn bộ quy trình EM, nhiều lỗi có thể được xác định, chẳng hạn như:

Lỗi trong việc chuẩn bị nhãn
Lỗi viết tay của nhân viên
Viết tay thủ công trên các đĩa EM và/hoặc phiếu lấy mẫu
Môi trường nuôi cấy không phù hợp hoặc hết hạn sử dụng
Thời gian lấy mẫu không được tuân thủ hoặc không được ghi lại
Điểm lấy mẫu không được tuân thủ
Đĩa môi trường nuôi cấy bị mất trong quá trình vận chuyển
Tăng cường rủi ro về việc sao chép thông tin không chính xác (trên các phiếu lấy mẫu hoặc trong bất kỳ tệp Excel hoặc LIMS nào)
Chu trình ủ không chính xác
Hiệu suất đọc biến thiên phụ thuộc vào nhân viên

Phụ lục 1 của GMP khuyến khích việc sử dụng các phương pháp tự động và các phương pháp thay thế cho kiểm soát vi sinh trong môi trường sản xuất sinh học.

CÁC VẤN ĐỀ HIỆU QUẢ CÔNG NGHIỆP

Ngoài các lỗi đếm và truy vết có thể xảy ra, các phương pháp thủ công cũng gặp nhiều ràng buộc hoạt động khiến chúng trở nên không hiệu quả từ góc độ công nghiệp. Do đó, trong toàn bộ quy trình EM và phản ánh các rủi ro lỗi trước đó, nhiều nguyên nhân của việc tối ưu hóa hoạt động và công nghiệp có thể được xác định, chủ yếu là thời gian dành cho các nhiệm vụ có giá trị gia tăng thấp:

Chuẩn bị nhãn truy vết và phiếu lấy mẫu
Kiểm tra danh sách “cần làm” trên giấy
Viết thủ công trên đĩa Petri và tài liệu giấy
Đối chiếu thủ công số lượng đĩa môi trường nuôi cấy đã lấy mẫu so với kế hoạch lấy mẫu
Tải/xả đĩa Petri từ các tủ ấp
Đếm thuộc địa thủ công tốn thời gian
Kiểm tra đôi với đếm “4 mắt”
Viết báo cáo thủ công
Kiểm tra việc chuyển giao thông tin từ định dạng giấy sang định dạng kỹ thuật số

Tất cả các hạn chế này trong toàn bộ quy trình EM chỉ có thể được khắc phục bằng cách áp dụng triệt để giải pháp kỹ thuật số và tự động hóa, chẳng hạn như phần mềm kiểm soát môi trường, hệ thống ấp và đếm thuộc địa tự động trên các đĩa môi trường nuôi cấy EM.

PHƯƠNG PHÁP VI SINH TỰ ĐỘNG CHO EM

Việc tự động hóa EM liên quan đến việc làm chủ toàn bộ chuỗi giá trị của kiểm soát môi trường: từ việc cung cấp đĩa Petri đến phê duyệt kết quả đếm thuộc địa sau ủ, tất cả dữ liệu phải được truy vết và kiểm soát để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong khi hạn chế và tiêu chuẩn hóa số lượng các hoạt động của con người. Tự động hóa EM, để giải quyết các vấn đề đó, hiện nay có thể thực hiện với các giải pháp tích hợp hoàn toàn.

bioMérieux đã phát triển và xác thực một giải pháp quản lý EM hoàn chỉnh bao gồm toàn bộ quy trình EM: phần mềm 3P® CONNECT quản lý việc lập kế hoạch và truy vết dữ liệu, và hệ thống 3P® STATION (Hình 2) cho phép ủ ở các nhiệt độ khác nhau và đếm tự động các thuộc địa trên đĩa Petri với cảnh báo sớm để tăng cường khả năng phản ứng.

Toàn bộ giải pháp này đã được tối ưu hóa với sự tham gia của một số nhà sản xuất dược phẩm 3,4 – những người đã cùng chúng tôi phát triển nó theo hướng thiết kế vận hành và công nghiệp và trên hết là đạt được và chứng minh mức độ hiệu suất cao đã được xác thực, ít nhất là tương đương với phân tích của con người.

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ TRUY VẾT

Trong các công đoạn khác nhau của kiểm soát EM (Hình 1) – Lập kế hoạch, Chuẩn bị, Lấy mẫu, Vận chuyển, Nhận & Ủ, Đọc & Phê duyệt, Báo cáo Dữ liệu – các hoạt động thủ công có thể được thay thế bằng tự động hóa và số hóa thông qua việc sử dụng phần mềm quản lý EM như 3P® CONNECT và thông qua tự động hóa và tiêu chuẩn hóa việc ủ và đếm thuộc địa với 3P® STATION, cũng cho phép truy cập tất cả dữ liệu và hình ảnh để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu.

Do đó, trong toàn bộ quy trình EM, gần 40% các bước thủ công và có giá trị gia tăng thấp có thể được loại bỏ, giảm rủi ro mất thông tin và các vấn đề về truy vết/tính toàn vẹn dữ liệu. Điều này dẫn đến việc bảo vệ 100% các khoảng trống tính toàn vẹn dữ liệu quan trọng đã được xác định. Thực tế, sự vắng mặt của tài liệu giấy, tính toàn vẹn dữ liệu, truy vết tất cả các mẫu, khả năng có một dấu vết kiểm toán (21 CFR Phần 11) cũng như các công cụ phân tích xu hướng và phát hành báo cáo đều là những yếu tố củng cố kiểm soát EM và tính an toàn của nó.

Cuối cùng, việc tích hợp giải pháp này với một hệ thống LIMS đã tồn tại và được sử dụng thường xuyên làm cho việc tích hợp vào một mô hình quản lý toàn cầu cho truy vết dữ liệu và giám sát chương trình EM theo thời gian thực trở nên dễ dàng hơn.

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ HIỆU QUẢ CÔNG NGHIỆP

Một lần nữa, xem xét tất cả các bước EM (Hình 1), một nghiên cứu cho thấy thời gian tiết kiệm nhờ vào số hóa có thể lên tới gần 3 phút cho mỗi đĩa môi trường nuôi cấy được phân tích. Nghiên cứu này được thực hiện trên một dây chuyền sản xuất và phòng thí nghiệm Kiểm soát Chất lượng của một địa điểm sản xuất, và gần 99% toàn bộ quy trình EM đã được đánh giá với việc sử dụng phần mềm 3P® CONNECT.

Đối với các chương trình EM từ vài trăm đến hàng chục ngàn đĩa môi trường nuôi cấy tùy thuộc vào địa điểm sản xuất, việc tiết kiệm thời gian với quy trình tự động có thể cải thiện đáng kể hiệu suất toàn cầu của địa điểm.

Cuối cùng, các nghiên cứu công nghiệp đang diễn ra về việc sử dụng một nhiệt độ ủ duy nhất và thời gian ủ giảm cho các đĩa môi trường nuôi cấy EM nhằm tiếp tục tối ưu hóa quy trình EM. Mục tiêu là tăng cường tính linh hoạt và hiệu quả từ góc độ công nghiệp.

Do đó, việc tự động hóa ủ ở một nhiệt độ duy nhất và đếm tự động các thuộc địa trên các đĩa môi trường nuôi cấy là một cơ hội để giảm thời gian ủ từ 1 đến 2 ngày, trong một chu trình 7 ngày ủ, ví dụ, gần 30% giảm trong chu trình ủ, điều này đại diện cho một lợi ích đáng kể về hiệu quả công nghiệp.

TÓM TẮT VỀ EM

Liên quan đến EM, tùy thuộc vào các địa điểm sản xuất, hàng trăm ngàn kiểm soát có thể được thực hiện mỗi năm trên các đĩa môi trường nuôi cấy để đảm bảo trạng thái kiểm soát ô nhiễm của tất cả các khu vực sản xuất (Lớp A, B, C, D). Truyền thống, các kiểm soát EM thủ công này yêu cầu phải chờ đợi các vi sinh vật phát triển, quản lý ủ ở các nhiệt độ khác nhau và đếm CFU trên mỗi đĩa một cách thủ công. Trước khi thu thập các mẫu này và phân tích kết quả sau khi ủ, việc cần thiết là phải lập kế hoạch và quản lý thủ công toàn bộ quy trình EM cũng là những điểm then chốt tạo ra các ràng buộc về tính toàn vẹn dữ liệu và các vấn đề về truy vết tất cả dữ liệu.

Quy trình cồng kềnh này và các phương pháp này dễ bị mắc những lỗi tiềm ẩn do đặc điểm thủ công của chúng, chẳng hạn như các lỗi nghiêm trọng FP hoặc FN trong bước đếm CFU bởi các kỹ thuật viên Kiểm soát Chất lượng, nhưng cũng gặp phải các vấn đề về truy vết và quản lý tính toàn vẹn dữ liệu ngày càng được FDA ghi nhận.

Đó là lý do tại sao các giải pháp quản lý EM như 3P® CONNECT, từ lập kế hoạch lấy mẫu đến đếm tự động với hệ thống 3P® STATION, là cần thiết để vượt qua các vấn đề đã được xác định trong toàn bộ quy trình.

Các giải pháp vi sinh tự động và đã được xác thực này hiện nay cho phép có được kết quả tiêu chuẩn hóa và nhanh hơn so với các quy trình thủ công. Sẽ có thể quản lý các nhiệt độ ủ khác nhau và các chu trình ủ khác nhau để tái tạo các quy trình tương tự như các quy trình hiện tại đang được áp dụng: do đó, đây không phải là một phương pháp thay thế mà đơn giản chỉ là tự động hóa phương pháp truyền thống đang được sử dụng bởi các nhà sản xuất dược phẩm sinh học khác nhau. Điều này cho phép có được kết quả nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và cải thiện tính truy vết của thông tin, đặc biệt là để khởi động các cuộc điều tra hoặc các hành động phòng ngừa/sửa chữa nếu cần thiết.

Ngành dược phẩm sinh học nên xem xét việc triển khai quy mô lớn các giải pháp tự động này, thay thế các phương pháp thủ công và rủi ro truyền thống.

CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn tất cả các chuyên gia vì những đóng góp quan trọng của họ cho bài viết này và các nghiên cứu được đề cập: Laurent Leblanc, Félix A Montero-Julian, Lisa Mallam, Katia Imhof, Clément Dilas, Matthieu Ribon, Laura Bailac, Franck Guilloteau, Laura Arnaldi, Vincent Girousse, Séverine Bascoul, Laura Bailac, Diara White. Đặc biệt cảm ơn Lucile Plourde Owobi và Thierry Bonnevay.