Qualification of the T-CUP bioreactor for GMP production of tissue-engineered cartilage grafts in a clinical trial Phase I

In the area of cartilage regeneration, very promising results are associated to the Nose-to-Knee clinical study, started in the early 2012 at the University Hospital Basel, Switzerland. The group has developed an innovative method for healing damaged knee cartilage, by harvesting chondrocytes from the patient’s nose and growing them in vitro into a mature tissue, which is then implanted in the injured area. However, the manufacturing process characterizing this study is based on traditional, manual, benchtop techniques, associated with several limitations. For these reasons, the same group has worked in parallel, developing the T-CUP bioreactor, designed for automated production of large-scale grafts in a closed system. Current goal is to assess safety and feasibility of the tissue engineered grafts generated with this technology in a clinical trial Phase I, to ultimately substitute the manual production of the Nose-to-Knee study with a bioreactor (T-CUP)-based manufacturing process. Completed the device development, a lot of work is necessary in the regulatory framework to receive the approval by the national competent authority, Swissmedic. Indeed, as tissue engineered products fall under the category of ATMPs, their translation into the clinic requires documented compliance to regulatory requirements. Specifically, conditions for production are regulated by guidelines on Good Manufacturing Practice. Here two fundamental concepts are present: the equipment used during the production should be qualified and the manufacturing process validated. In this context, specific aims of the present Master Thesis are (i) to initiate and perform qualification activities for the T-CUP bioreactor and (ii) to contribute to reaching process freeze and preparing the comparability study, essential steps to proceed with process validation. At first, a User Requirements Specification document has been generated, containing all the essential features required for the system as defined by the user. Then a structured description of the device has been included in the so-called Technical Dossier of the bioreactor, describing technical information and design solutions adopted to address user requirements, thus Functional and Design Specifications. Subsequently, a Risk Analysis has been performed to establish a rationale on decisions, approach and extent of qualification. Risks for the relevant user requirements have been evaluated and, when exceeding a pre-defined threshold, measures during qualification have been defined to better control them. Finally, the last document generated has been the Qualification Plan, detailing activities to be performed for each test identified (protocols and acceptance criteria), according to the outcome of the risk analysis. Hence, the qualification strategy for the T-CUP bioreactor has been defined, aiming to demonstrate that the device is suitable for the intended operations. In parallel, the present Master Thesis has focused on the optimization of the culture medium composition, in order to generate grafts with adequate quality while ensuring suitability for clinical application. Different candidates have been tested, among them the best protocol to reach process freeze has been selected. Besides, the substitution of manual techniques with a bioreactor-based platform is a relevant change in the manufacturing process, required to be evaluated in terms of adverse impact on quality, efficacy and safety of the final product. Thus, to fulfil European guidelines, a comparability study is being prepared to demonstrate suitability of the change. Finally, the last step necessary to achieve clinical translation of the cartilage grafts is validation of the manufacturing process within the T-CUP bioreactor. In this context, a preliminary analysis has been started in order to assess the major validation activities to be performed. In conclusion, the present Master Thesis project is set in this not yet explored world, aiming to make a step forward towards the transition from bench to bedside of grafts generated with the innovative T-CUP bioreactor.

Nell’ambito della rigenerazione del tessuto cartilagineo, risultati molto promettenti sono associati allo studio clinico Nose-to-Knee, iniziato nel 2012 all’Ospedale Universitario di Basilea, in Svizzera. Tale approccio innovativo per il trattamento di lesioni della cartilagine articolare del ginocchio prevede l’utilizzo di condrociti prelevati dal setto nasale del paziente per la generazione in vitro di un tessuto maturo (graft) da impiantare nel sito lesionato. Il processo di produzione per ottenere tale prodotto si basa su tecniche manuali, tradizionalmente utilizzate nelle pratiche di laboratorio, intrinsecamente associate a diverse limitazioni. Lo stesso gruppo di ricerca ha lavorato in parallelo allo sviluppo del bioreattore T-CUP, progettato e ulteriormente migliorato negli anni fino ad ottenere un sistema chiuso per la produzione di graft cartilaginei compatibili con l’applicazione clinica. Ad oggi, l’obiettivo è intraprendere uno studio clinico di Fase I verificando la fattibilità dell’intero processo e la sicurezza stessa del prodotto generato con questo dispositivo, con il fine ultimo di sostituire la produzione manuale dello studio Nose-to-Knee con quella automatizzata in bioreattore. Completato lo sviluppo del dispositivo, molto lavoro è ora necessario in campo normativo per ottenere l’approvazione da parte di Swissmedic, istituto svizzero per gli agenti terapeutici. Infatti, i prodotti dell’ingegneria tissutale rientrano nella categoria degli ATMPs, la cui traslazione in clinica richiede conformità documentata ai requisiti normativi. Nello specifico, la produzione dei medicinali deve avvenire rispettando le Buone Pratiche di Fabbricazione (Good Manufacturing Practice, GMP). Esse presentano due concetti fondamentali: tutti i dispositivi usati per ottenere il prodotto finale devono essere qualificati ed il processo di produzione stesso deve essere validato. In questo contesto, gli obiettivi del presente lavoro di tesi sono (i) avviare ed eseguire le attività di qualificazione del bioreattore T-CUP, (ii) contribuire all’ottimizzazione del protocollo di coltura, raggiungendo il process freeze, e partecipare alla preparazione di uno studio di comparabilità, entrambi step fondamentali per procedere alla validazione del processo. Il primo documento generato è stato User Requirements Specification, contenente tutte le caratteristiche essenziali richieste per il sistema come definite dall’utente. Il secondo step è stato invece finalizzato a documentare il sistema tramite la generazione del Technical Dossier, contente le soluzioni progettuali adottate per rispondere agli user requirements, quindi le così dette Functional & Design Specifications. Successivamente è stata condotta l’analisi del rischio, che ha permesso di prendere decisioni in modo razionale sull’approccio da utilizzare durante la vera e propria qualificazione del dispositivo. Per ogni requisito rilevante sono stati individuati tutti i possibili rischi, a cui è stato associato un punteggio secondo i criteri di probabilità, impatto sul prodotto finale e rilevabilità. Questo ha permesso di evidenziare le specifiche caratterizzate da un elevato rischio, che richiedono l’esecuzione di particolari test durante le successive fasi di qualificazione. È stato quindi generato un Qualification Plan, che specifica i test da svolgere, i protocolli ad essi associati ed i rispettivi acceptance criteria. In conclusione, è stata definita nel dettaglio la strategia da adottare per la qualificazione del bioreattore T-CUP, attività che verrà completata nei prossimi mesi dal Tissue Engineering group di Basilea. Parallelamente, il lavoro di tesi ha previsto l’ottimizzazione del processo sperimentale di coltura all’interno del bioreattore. Sono stati testati diversi protocolli, tra questi è stata identificata la soluzione migliore, compatibile con l’applicazione clinica e allo stesso tempo in grado di generare graft di qualità adeguata. Inoltre, l’automazione delle procedure prima svolte manualmente è un cambiamento importante nel processo di produzione, i cui effetti su qualità, efficacia e sicurezza del prodotto finale devono essere valutati. Per questo motivo, è stato avviato uno studio di comparabilità, in cui i graft prodotti in bioreattore sono confrontati con quelli ottenuti tramite le tradizionali tecniche manuali. Infine, la validazione del processo di produzione è l’ultimo step richiesto per la traslazione in clinica dei graft. In questo contesto, è stata avviata un’analisi preliminare con lo scopo di evidenziare le principali attività di validazione che sarà necessario eseguire. In conclusione, il presente lavoro di tesi si colloca in questo campo ancora poco conosciuto, facendo un passo avanti a favore della transizione “from bench to bedside”, cioè dal laboratorio alla clinica, dei prodotti generati con l’innovativo bioreattore T-CUP.