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PORTALE DELLA DIDATTICA

Principi di biotecnologie farmaceutiche

01UBEMW

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica E Dei Processi Sostenibili - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 68
Esercitazioni in aula 9
Esercitazioni in laboratorio 3
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Pisano Roberto Professore Ordinario ING-IND/26 34,5 9 0 0 4
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/24 8 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
Valutazione CPD 2021/22
2022/23
L'insegnamento intende introdurre gli studenti alle problematiche dei processi di produzione di proteine ricombinanti ad uso farmaceutico. Si darà particolare attenzione alla produzione di biofarmaci attualmente in commercio, a partire dalla selezione del vettore di espressione fino alle operazioni di separazione, purificazione e caratterizzazione del prodotto finito. Le lezioni di teoria saranno arricchite con la presentazione di alcuni casi di studio (ormoni polipeptidici, citochine, proteine del sangue, enzimi con proprietà terapeutiche, vaccini, anticorpi monoclonali) e dallo svolgimento di una esercitazione sperimentale volta all’estrazione di proteine da cellule e loro purificazione. Durante il corso, si prevedono visite ad alcune aziende del settore farmaceutico.
This course is for students who are interested in the application of the recombinant DNA technology and engineering in the areas of biopharmaceutical technologies. It provides a greater focus on actual commercial biopharmaceutical products and how they are manufactured, from vector selection to production, separation, purification and characterization of the finished products. Practical approaches and related case studies will be discussed, with emphasis on some recently developed pharmaceutical products such as: peptide hormones, cytokines, blood proteins, enzymes for therapeutic applications, vaccines, and monoclonal antibodies. In the second part of the course, student teams will work on a real case study in laboratory, which involves the extraction of proteins from cells and their purification. Visits to some pharmaceutical facilities are also scheduled in the last part of the course.
Al termine del corso, lo studente dovrà conoscere i processi di produzione (upstream e downstream) di alcuni prodotti biofarmaceutici (ad esempio, ormoni polipeptidici, citochine, proteine del sangue, enzimi con proprietà terapeutiche, vaccini, anticorpi monoclonali), i metodi di coltura di microrganismi e cellule animali, le principali tecniche di separazione e purificazione (cromatografia, elettroforesi, cristallizzazione), i processi di sanitizzazione e sterilizzazione di impianti farmaceutici, nonché la struttura ed organizzazione di un impianto di produzione di biofarmaci. Inoltre, lo studente dovrà conoscere le principali metodologie analitiche utili per definire il grado di purezza dei prodotti biofarmaceutici di cui sopra. Nello specifico, lo studente dovrà acquisire le seguenti competenze: (1) scelta del sistema di espressione idoneo alla produzione del biofarmaco; (2) definire uno schema di processo per la produzione delle principali classi di prodotti biofarmaceutici, definendo le unità operative e le apparecchiature più idonee; (3) eseguire calcoli di progetto per la scelta delle condizioni operative che soddisfino le specifiche di processo o prodotto desiderate. Al termine del corso, lo studente dovrà presentare i risultati di un lavoro di gruppo finalizzato alla definizione del processo di produzione di un biofarmaco assegnato.
Within the end of the course, the students will attain the following: • The ability to apply the basic knowledge of recombinant DNA technology and engineering in the analysis and evaluation of the basic unit operations involved in the manufacturing of biopharmaceutical products (both upstream and downstream) • A working knowledge of the recombinant DNA technology and an understanding of the chemical nature of biological processes, and how to put this in practice to produce commercial biopharmaceutical drugs (peptide hormones, cytokines, blood proteins, enzymes for therapeutic applications, vaccines, and monoclonal antibodies) • The ability to accomplish basic design and optimization of biopharmaceutical processes • Basic knowledge on cell culture techniques, practices and procedures to prevent the product contamination • The ability to define the flow of plant processes and equipment to produce a desired biopharmaceutical product At the end of the course, student teams will deliver a report showing the experimental data they have collected in the lab and their process flow proposal for the manufacturing of a given biopharmaceutical product.
Lo studente potrà proficuamente seguire l'insegnamento se conosce: • i meccanismi di trasporto di quantità di moto, energia e materia • conoscenza di base di microbiologia biochimica e biologia molecolare
• The ability to apply the engineering sciences of mass, momentum and energy balances • Basic knowledge of molecular biology, microbiology and biochemistry
PARTE I. Processi upstream Le biotecnologie farmaceutiche: principi e tecniche di produzione. La produzione di proteine da geni clonati in E.coli  Vettori specifici per l’espressione di geni eterologhi in E. coli  Problemi comuni nella produzione di proteine ricombinanti in E. coli La produzione di proteine ricombinanti nelle cellule eucariotiche  Lieviti (S, cerevisiae e P. pastoris) e funghi filamentosi (A. nidulans e T. reesei)  Cellule di mammifero,  Cellule di insetto Il “pharming”  La produzione di proteine ricombinanti in animali  La produzione di proteine ricombinanti in piante Metodi di coltura di microrganismi e cellule animali  Terreni per la coltura di microrganismi  Terreni per la coltura di cellule animali  Fattori che influenzano la scelta del tipo di coltura  Colture di laboratorio e su larga scala  Bioreattori per la coltura di microrganismi  Bioreattori per la coltura di cellule animali La produzione di principi farmaceutici con la tecnologia del DNA ricombinante  La produzione di insulina e ormoni della crescita in E.coli  La produzione di EPO in cellule animali  La produzione di anticorpi monoclonali  La produzione di vaccini L’ ingegneria proteica per il miglioramento delle caratteristiche farmacocinetiche di proteine ricombinanti.  Principali tecniche di mutagenesi in vitro  Proteine ricombinanti di seconda generazione Medicinali per terapie avanzate  La terapia cellulare  La terapia genica PARTE II. Processi downstream Il processo di produzione di un biofarmaco  Il sito produttivo o Camera bianca o Pulizia, decontaminazione e sanitizzazione dell’area di produzione e degli impianti o Acqua per la produzione di un biofarmaco: produzione di acqua ultra-pura e per preparati iniettabili  Il processo di produzione di un biofarmaco o Analisi di un caso di studio: la produzione di interferone-w o Processi di downstream: analisi della catena produttiva di un farmaco contenente un principio attivo proteico. Caso di studio tissue plasminogen activator (tPA) Il problema della formulazione di un biofarmaco  Meccanismi molecolari alla base della denaturazione proteica o Proteolisi o Deamidazione o Ossidazione e rottura di ponti disolfuro o Glicosilazione o Stress legati al processo di congelamento o di essiccamento o Interazioni con le interfacce solido-liquido  Eccipienti utilizzati nelle formulazioni biofarmaceutiche  Meccanismi di stabilizzazione proteica durante il congelamento, ecciccamento e all’interfacce solido-liquido Processi di purificazione di miscele proteiche  Separazione delle cellule dal mezzo di coltura (centrifugazione e filtrazione)  Separazione del prodotto proteico (lisi delle cellule per via chimica, biologica e meccanica)  Tecniche di concentrazione (evaporazione, lisciviazione, precipitazione e adsorbimento). Tecniche di analisi e purificazione di macromolecole biologiche  Cromatografia o Principi generali o Cromatografia in fase inversa o Cromatografia di interazione idrofobica o Cromatografia a scambio ionico o Cromatografia di esclusione dimensionale o Cromatografia di affinita` o Cromatografia elettrocinetica micellare  Elettroforesi o Elettroforesi su piastra o Elettroforesi capillare o Elettroforesi capillare zonale o Elettroforesi gel-capillare  Liofilizzazione o Formulazione di preparazioni iniettabili contenenti proteine o Tecniche di caratterizzazione della formulazione nativa e del prodotto finito: calorimetria differenziale, crio-microscopia, o Congelamento: principi generali, parametrici critici, scelta delle condizioni operative, tecniche innovative per il controllo della fase di congelamento o Essiccamento primario e secondario: principi generali, parametri critici, calcoli di progetto per la scelta delle condizioni operative o Analisi di immagine e tecniche di sperlatura o Impianti batch e continui: liofilizzazione in massa (spray freeze-drying) e di dosi singole  Sterilizzazione o Teoria del processo o Metodi fisici (calore umido e calore secco, radiazioni ionizzanti, filtrazione) o Metodi chimici (ossido di etilene) o Impianti di sterilizzazione e controllo dell’efficacia del processo o Tecniche di sterilizzazione di biofarmaci iniettabili Analisi del processo di produzione di alcuni biofarmaci o Insulina o Glucagone o hGH o tPA PARTE III. Esercitazione di gruppo Si prevedono due esercitazioni di gruppo: 1. Esercitazione progettuale: sulla base della letteratura scientifica, definire il processo di produzione di un biofarmaco assegnato. 2. Esercitazioni di laboratorio: (1) Rottura di cellule microbiche mediante sonicazione e/o omogeneizzatore di Potter; (2) separazione dei detriti cellulari con centrifugazione; (3) purificazione delle proteine con ultra- e diafiltrazione; (4) determinazione della concentrazione proteica mediante spettrometria UV-Vis (5) valutazione della purezza delle proteine mediante SDS-PAGE. Nota. Qualora non fosse possibile svolgere le attività del progetto sperimentale in presenza, si prevederanno delle videoleazioni in cui si mostrerà lo svolgimento delle varie attività sperimentali e si forniranno agli studenti i risultati di tali attività per una loro rielaborazione.
PART I. Upstream processing Pharmaceutical biotechnology: principles and production techniques. Protein production from cloned genes in E. coli  Specific vectors for the expression of heterologous genes in E. coli  Common problems in the production of recombinant proteins in E. coli The production of recombinant proteins in eukaryotic cells  Yeasts (S, cerevisiae and P. pastoris) and filamentous fungi (A. nidulans and T. reesei)  Mammalian cells  Insect cells The "pharming"  Production of recombinant proteins in animals  Production of recombinant protein production in plants Culture methods of microorganisms and animal cells  Media for the cultivation of microorganisms  Media for the cultivation of animal cells  Factors that influence the choice of the type of cultures  Laboratory and large-scale cultures  Bioreactors for the cultivation of microorganisms   Bioreactors for the cultivation of animal cells The production of biopharmaceuticals by means of recombinant DNA technology  The production of insulin and growth hormones in E. coli  Production of EPO in animal cells  Production of monoclonal antibodies  Production of vaccines Protein engineering for the improvement of the pharmacokinetic characteristics of recombinant proteins  Main in vitro mutagenesis techniques  Second generation recombinant proteins Advanced Therapy Medicinal Products - ATMP  Cell therapy  Gene therapy PART II. Downstream processing The drug manufacturing process: an overview  The manufacturing facility o clean rooms o cleaning, decontamination and sanitation of the manufacturing area and equipment o water for biopharmaceutical processing: production of purified water and water for injections  The manufacturing of the final product o Overview of the industrial manufacture of the interferon-w product o Downstream processing: overview of a generalized downstream processing procedure employed to produce a finished protein-based biopharmaceutical, overview of the purification of tissue plasminogen activator (tPA) o Final product fill, labeling and packing The final product formulation  Molecular mechanisms which underpin the biological activity of proteins o Proteolytic degradation o Protein deamidation o Oxidation and disulphide exchange o Alteration of glycoprotein patterns o Freezing and drying stresses o Interactions at the solid-liquid interfaces  Stabilizing excipients used in final product formulations o Mechanisms of stabilization during freeing, drying and at the interface solid-liquid Purification of recombinant proteins  Separation of cells from fermentation broth (filtration and centrifugation)  Extraction and separation of the proteins (cell lysis by chemical, biological and mechanical approaches)  Concentration of protein-based sub-products (evaporation, solid-liquid extraction, precipitation and adsorption) Analysis and purification of biological macromolecules  Liquid Chromatography o Techniques by separation mechanism  Ion exchange chromatography  Size-exclusion chromatography o Reversed-phase chromatography a o Hydrophobic interaction chromatography o Affinity chromatography o Electrokinetic micellar chromatography  Electrophoresis o Gel electrophoresis o Capillary electrophoresis o Capillary zone electrophoresis o Capillary gel electrophoresis  Lyophilization/Freeze-drying o Formulation of protein-based parenteral products o Characterization of the formulation being lyophilized and of the lyophilized product o Freezing: general principles, critical process parameters, criteria for the selection of freezing conditions, techniques for the control of nucleation temperature o Primary and secondary drying: general principles, heat and mass transfer, design of the cycle o Imagining analysis and visual inspections o Continuous plants for bulk (spray freeze-drying) and unit-doses production  Sterilization: o General principles o Physical methods o Chemical methods (ethylene oxide) o Equipment and process control o Techniques of sterilization of biopharmaceutical products Examples of production of drug products Analysis of the manufacturing process of the following drug products: o Insulin o Glucagon o Human Growth Hormone o Tissue plasminogen activator PART III. Practices  Project I. Based on literature review, define the manufacturing process of given drug products.  Project II. Laboratory practice on (1) Cell disruption by sonication and/or mechanical treatment; (2) separation of proteins from cell residue by centrifugation; (3) protein purification by ultra- and diafiltration; (4) determination of protein concentration by UV-Vis spectroscopy; (5) determination of protein purity by SDS-PAGE. Remarks. If the student could not directly carry out the experimental activities of Project II, video-lectures will be provided in which the various experimental activities will be shown and the results of these activities will be provided to the students for their post-processing.
Le lezioni in aula sono alternate a esercitazioni di calcolo sugli argomenti affrontati a lezione. Nella seconda parte del corso è previsto che gli studenti si organizzino in gruppi e si occupino della definizione di un processo per la produzione di un biofarmaco assegnato. E’ inoltre previsto lo studio sperimentale di un processo di estrazione e purificazione di proteine da cellule microbiche . I risultati ottenuti nel corso delle esercitazioni dovranno essere presentati al docente nella forma di una relazione di gruppo scritta.
This course includes both theoretical lessons and practical classes. In the second part of the course the students will be work in team and carry out a laboratory practice about the extraction and purification of proteins from microbial cells, and on definition of the process flow for a given biopharmaceutical product.
I seguenti testi sono consigliati per chiarimenti sugli argomenti trattati a lezione: • Calabrò M. L. 2012. Compendio di biotecnologie farmaceutiche. EdiSES. • Brown T. A. 2017. Biotecnologie molecolari. Zanichelli. • Najafpour G. D. 2007. Biochemical engineering and biotechnology. Elsevier. • Vegeto E., Maggi A., Minghetti P. Farmaci Biotecnologici 2020 CEA • Walsh G. 2003. Biopharmaceuticals: biochemistry and biotechnology. Wiley.
• Calabrò M. L. 2012. Compendio di biotecnologie farmaceutiche. EdiSES. • Brown T. A. 2017. Biotecnologie molecolari. Zanichelli. • Najafpour G. D. 2007. Biochemical engineering and biotechnology. Elsevier. • Vegeto E., Maggi A., Minghetti P. Farmaci Biotecnologici 2020 CEA • Walsh G. 2003. Biopharmaceuticals: biochemistry and biotechnology. Wiley.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
La verifica dell’apprendimento avviene mediante un esame orale che verterà su tutti gli argomenti del corso. La durata del colloquio è di circa 45 minuti. Per accedere all’esame orale occorre aver conseguito una valutazione positiva della relazione di gruppo relativa alla definizione di un processo di produzione e purificazione di un prodotto biofarmaceutico assegnato. La valutazione della relazione sarà pubblicata sul portale della didattica prima della sessione d’esame e il voto massimo ottenibile è pari a 3 punti. Nel caso in cui la valutazione della relazione fosse “non sufficiente”, lo studente avrà a disposizione 15 giorni dalla data di pubblicazione dei risultati per rivedere la relazione e, se le correzioni sono ritenute soddisfacenti, accedere alla prova orale. Il voto massimo ottenibile con l’esame orale è 27 punti a cui si aggiungono quelli della relazione di gruppo per un totale di massimo di 30 punti.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
Within the end of the course, student teams must deliver a report on their laboratory work and process design assignment. If they did not get a passing grade in this report, they have to resubmit the revised report within two weeks. In the case of a positive grade, they can go ahead with the oral assessment. The score of the report ranges from 0 (minimum passing grade) to 3 (excellent). The oral assessment takes about 45 min and consists of at least three questions, which require the application of concepts learned in lecture to problems in biopharmaceutical processing. If they got a passing grad, the score of the oral assessment ranges from 18 (minimum passing grade) to 27 (excellent). The final grade is the sum of the two above mentioned scores (report + oral assessment).
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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