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Corning accelera la consegna del vaccino COVID-19 con un'innovazione nel confezionamento farmaceutico
Una nuova formulazione in vetro radicale è pronta a dimezzare i tempi di produzione dei vaccini. La progettazione di esperimenti in JMP® ha aperto la strada alla sua scoperta.
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Sfida: Anche con la distribuzione del vaccino COVID-19 in corso, potrebbero volerci mesi o addirittura anni prima che le aziende farmaceutiche producano quantità adeguate per soddisfare il fabbisogno mondiale. La velocità con cui le linee di produzione possono operare è stata a lungo limitata da un fattore critico: anche le migliori fiale di vetro per uso medico sono soggette a rotture e degradazione chimica se i macchinari dell'impianto funzionano troppo velocemente.
Soluzione: Scienziati e ingegneri di Corning hanno utilizzato la progettazione di esperimenti per sviluppare una nuova formulazione rivoluzionaria del vetro - Valor® Glass - appositamente costruita per accelerare la produzione farmaceutica. JMP e JMP Pro mettono gli strumenti DOE migliori della categoria nelle mani di tutti gli scienziati coinvolti in questo sforzo.
Risultati: L'innovazione di Corning è destinata ad aumentare la produttività fino al 50%, stabilendo quello che il vicepresidente Brendan Mosher ha definito "un nuovo standard per la qualità e le prestazioni nel confezionamento farmaceutico". Aumentando la capacità della linea di produzione farmaceutica standard da 300 fiale al minuto a 750, Valor Glass è destinata ad accelerare la consegna del vaccino COVID-19 non appena avrà ottenuto l'approvazione normativa.
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Mentre le nazioni di tutto il mondo affrontano la pandemia più mortale dell'ultimo secolo, gli scienziati hanno corso per sviluppare un vaccino sicuro ed efficace per il COVID-19. A settembre 2020, 40 candidati al vaccino erano entrati in studi clinici e più di 90 erano in fase di indagine preclinica attiva sugli animali. Ma la scoperta del vaccino è solo il primo ostacolo al raggiungimento dell'immunità di gregge mondiale attraverso la vaccinazione; la produzione su larga scala causerà quasi certamente un grosso collo di bottiglia nella distribuzione.
Con molti candidati al vaccino che richiedono dosi multiple per persona, gli esperti stimano che tra 7 miliardi e 15 miliardi di dosi
di vaccino sarà richiesto in tutto il mondo solo nel 2021. Le aziende farmaceutiche ora affrontano una pressione senza precedenti per accelerare la produzione molto al di sopra delle precedenti tempistiche standard. "La sfida non è creare il vaccino stesso, ma riempire le fiale", ha detto ai giornalisti Pascal Soriot, direttore esecutivo e CEO di AstraZeneca, a metà del 2020.
Come nel caso di molti dei nuovi candidati al vaccino COVID-19 che emergono nel 2020, il vaccino viene prodotto in grandi lotti ma confezionato in piccole fiale di vetro, ciascuna contenente da una a dieci dosi per la distribuzione. Il processo con cui vengono riempite le fiale, tuttavia, è stato storicamente fonte di ritardi e interruzioni durante il processo che rallentano la velocità con cui un farmaco o un vaccino può raggiungere i pazienti.
Le moderne linee di produzione farmaceutica sono altamente automatizzate e, sebbene i macchinari all'avanguardia possano in teoria funzionare alle massime velocità, ciò fa sì che anche le fiale di borosilicato – il gold standard del settore – rompano o delaminano le particelle nel contenuto delle fiale. La durata chimica del borosilicato a temperature estreme è anche una limitazione preoccupante per i produttori di vaccini che richiedono lo stoccaggio a catena ultrafredda, proprio come il vaccino COVID-19 sviluppato da Pfizer e BioNTech nel 2020.
Per risolvere questi e altri limiti di produzione legati al vetro, Corning Incorporated ha stabilito una partnership di sviluppo con diversi leader dell'industria farmaceutica. Già nel 2012, gli scienziati hanno iniziato a esplorare lo spazio della formulazione del vetro per sviluppare un nuovo prodotto premium da utilizzare nelle applicazioni delle scienze della vita. Corning e i suoi partner hanno testato oltre 200 diverse composizioni di vetro prima di creare un nuovo vetro alluminosilicato che è più di 10 volte più forte e chimicamente più resistente rispetto al precedente gold standard.
È nato Valor® Glass e una nuova innovazione vitale è arrivata sul mercato pochi mesi prima della scoperta del COVID-19 a Wuhan, in Cina.
"Valor Glass stabilisce un nuovo standard per la qualità e le prestazioni nel confezionamento farmaceutico", ha affermato Brendan Mosher, vicepresidente e direttore generale di Corning Pharmaceutical Technologies. “È costruito appositamente per i prodotti farmaceutici ed è posizionato in modo univoco per consentire una produzione e somministrazione di farmaci più veloci e affidabili, attributi fondamentali per la risposta alla pandemia di SARS-CoV-2”.
Questa è la storia di come Corning ha costruito un'organizzazione di ricerca e sviluppo profondamente informata e ha creato una nuova categoria di vetro che ha raddoppiato la capacità di produzione farmaceutica da un giorno all'altro.
Una ricerca da offrire su tre fronti: durabilità chimica, resistenza e lavorabilità
Quello che è iniziato nel 2011 come un progetto molto piccolo si è evoluto nel tempo in un'intera divisione all'interno dell'organizzazione Life Sciences di Corning. All'inizio, spiega Michael Anderson, ora Senior Statistical and Measurement Development Engineer, il team mirava principalmente a migliorare la resistenza e la durata chimica degli imballaggi farmaceutici in collaborazione con il suo partner di sviluppo originale, Merck. Anderson è entrato a far parte del team intorno al 2013, prima come statistico a supporto del gruppo di ingegneria del progetto e poi come esperto di metrologia in ricerca e sviluppo.
Corning era consapevole che uno dei problemi di produzione più preoccupanti dell'industria farmaceutica era la contaminazione da boro; soprattutto i farmaci caustici stavano causando la delaminazione del rivestimento delle tradizionali fiale di vetro borosilicato nel tempo, rovinando infine interi lotti di farmaci e vaccini. "Ma i punti deboli che i produttori farmaceutici devono affrontare cambiano nel tempo", afferma Anderson; una volta che Corning ha avuto una soluzione per la durabilità chimica, i suoi partner di sviluppo hanno chiesto loro di risolvere il problema della rottura. Alla fine, anche Pfizer è salita a bordo e l'ottimizzazione della fabbrica è stata al centro dell'attenzione mentre gli scienziati hanno cercato di ridurre l'attrito causato dai rivestimenti tradizionali delle fiale.
"Se vuoi riempire 500 milioni di fiale su apparecchiature esistenti nei prossimi sei mesi, improvvisamente la velocità con cui queste parti si muovono è la tua preoccupazione numero 1", spiega Anderson. "Questa è la caratteristica che chiamiamo lavorabilità", ovvero quanto velocemente può funzionare una linea di produzione.
Affrontare tutte e tre le sfide in un'unica formulazione di vetro ha richiesto anni di sperimentazione, costruzione di conoscenza del prodotto, tornare al tavolo da disegno di tanto in tanto e ottimizzare in modo incrementale. È stato un processo lungo, afferma Anderson, ma deve il suo successo alle profonde radici di Corning nella scienza del vetro e alla dedizione alla conoscenza dei processi statistici.
In Corning, tutti sono ingegneri di processo
Corning è un'organizzazione in cui lo spirito scientifico è profondo e i suoi direttori – molti ex scienziati e statistici di ricerca e sviluppo – hanno sostenuto l'adozione diffusa di approcci statistici. Le statistiche, spiega Anderson, fanno parte di ogni descrizione del lavoro all'interno di Corning, dai materiali alla produzione alla logistica della catena di approvvigionamento. Il loro mantra? Tutti sono ingegneri di processo e ogni ingegnere di processo deve avere capacità di analisi dei dati.
Sebbene l'azienda possa fissare aspettative elevate per l'alfabetizzazione statistica, tuttavia, Corning fornisce anche ai dipendenti le migliori attrezzature e strumenti per implementare metodi statistici e progetti sperimentali efficienti ed efficaci. A differenza di altre società, afferma Anderson, “ Corning ha dato la priorità ad assicurarsi che le persone abbiano gli strumenti di cui hanno bisogno .”
Per Corning, ciò ha comportato la concessione in licenza del software JMP e JMP Pro, uno dei preferiti del settore che abbina statistiche affidabili a una visualizzazione intuitiva. “JMP si occuperà di un set di dati sbilanciato. Ti dirà quali sono i rischi, li affronterà e ti permetterà di fare una scelta intelligente piuttosto che dire semplicemente di no", afferma Anderson. Ciò che JMP ha da offrire è "un prodotto dal prezzo competitivo che è un mix di uso comune per qualsiasi ingegnere e strumenti statistici di uso avanzato che consentono di esaminare qualsiasi problema che qualcuno nel campo dell'ingegneria e della ricerca dovrebbe affrontare su una base quotidiana”.
Nello sviluppo di quello che è diventato Valor Glass, Anderson ride, "è quasi difficile pensare a quando JMP non era Usato." Una delle aree chiave che è stata la prova del concetto per il software è stata la progettazione degli esperimenti (DOE).
Progettazione di esperimenti, un approccio più strategico alla sperimentazione in cui anche i fallimenti forniscono informazioni preziose
DOE è un ramo delle statistiche applicate che utilizza test controllati per identificare e analizzare i fattori che influenzano un parametro o un gruppo di parametri. In DOE, gli scienziati hanno un solido approccio alla raccolta e all'analisi dei dati che fornisce un quadro migliore delle interazioni tra i fattori e consente la manipolazione di più fattori di input contemporaneamente.
Anderson spiega che il DOE in JMP è stata la chiave per ottimizzare i rapporti dei componenti e le variazioni nelle impostazioni di processo per le formulazioni Valor, tra le altre cose. "C'è il rinforzo chimico che viene utilizzato per rendere il vetro così resistente e anche il rivestimento esterno che viene utilizzato per far volare le fiale due volte più velocemente attraverso le linee di riempimento nelle fabbriche", spiega, aggiungendo che all'interno di ogni caratteristica, ci sono altre sottocaratteristiche che richiedono anche l'ottimizzazione.
“Truismo nei materiali: non esiste una taglia unica. Se aumenti un [fattore], in genere comprometti qualcos'altro. Volevamo che il nostro rivestimento fosse il più trasparente possibile, ma anche che fosse in grado di sopravvivere a qualsiasi processo subisca [quando è riempito], ad esempio", afferma. "La quantità di formulazione e superficie di risposta e DOE della miscela che abbiamo fatto per ottimizzare i rapporti dei componenti per capire i sottocomponenti all'interno di quei componenti è enorme".
Fortunatamente, Corning ha dato la priorità alla ricerca e sviluppo a livello aziendale in un modo che molti dei suoi concorrenti non hanno fatto; stanziando fondi sufficienti per la sperimentazione per consentire ai team di sviluppo di fallire. "Essere in grado di fallire è costoso, ma è una parte fondamentale della sperimentazione", afferma Anderson. “E alla Corning, non ho mai incontrato alcuna resistenza significativa nel condurre esperimenti. Vogliamo imparare il più possibile per i soldi che stiamo spendendo. Quando dico: "Voglio farlo come un esperimento completamente progettato", non ho mai incontrato resistenza. [DOE] è allevato in Corning a questo punto. "
In JMP, uno sportello unico per il DOE e l'apprendimento statistico di ogni tipo
Il design è solo la metà del DOE, tuttavia. L'analisi è altrettanto importante, indipendentemente dal tipo di progetto implementato da un team. Nello sviluppo di Valor Glass, è stato fondamentale per il team non solo identificare i fattori chiave, i loro punti di forza e le interazioni, ma anche capire come apparivano questi effetti quando venivano tracciati, spiega Anderson. In alcuni casi, era semplice come visualizzare l'uniformità lungo il lato di una fiala; “visualizzandolo, saprai immediatamente se qualcosa non va o meno.”
La visualizzazione dei dati accelera il processo analitico consentendo controlli di qualità a colpo d'occhio ed è un'area in cui JMP eccelle, afferma Anderson. Una serie di Profiler nel software è un modo semplice per gli utenti di esplorare in modo interattivo gli spazi di progettazione, individuando visivamente i regimi operativi praticabili e i set point dei fattori. “Quella capacità immediata di rappresentare graficamente i tuoi dati in modo interattivo è ciò che mi ha venduto su JMP 29 anni fa – e in realtà continua a farlo. Penso che tutti amino Graph Builder come centro del loro mondo JMP", afferma Anderson.
La piattaforma Graph Builder in JMP è spesso vista come un punto di ingresso per coloro che non conoscono le statistiche industriali applicate e l'ampio catalogo di risorse interne di formazione e formazione continua di Corning aiuta gli utenti a sviluppare competenze da queste basi. Le classi statistiche interne dell'azienda si sono evolute per stare al passo con gli strumenti, incluso il corso base di interpretazione dei dati di Corning, afferma Anderson. I corsi più avanzati includono DOE, sistemi di qualità e analisi dei sistemi di misurazione.
Tra queste opportunità di sviluppo, Corning offre formazione JMP specializzata attraverso una collaborazione con SAS Education e JMP Days annuali offerti ai livelli iniziale, intermedio e avanzato. Un forum interno ospita anche gruppi di utenti focalizzati su un'ampia gamma di applicazioni.
Da 30 minuti a pochi secondi, gli script personalizzati semplificano le analisi ripetute
Man mano che il volume di acquisizione dei dati cresce con l'iniziativa di trasformazione digitale di Corning e le tecnologie di fabbrica, non solo in Corning ma in tutto il settore, diventano più integrate, i team di ricerca e sviluppo sono alla ricerca di strumenti personalizzati per interrogare e analizzare i dati ed evitare le potenziali insidie dei dati silo. Lo scripting, spiega Anderson, sta aiutando gli ingegneri a personalizzare i componenti aggiuntivi che possono estrarre dati da più database contemporaneamente, ottimizzando i vantaggi che l'organizzazione ottiene non solo a livello di produzione ma anche di sviluppo.
Gli script personalizzati scritti in JMP Scripting Language aiutano anche a evitare lunghe attività di pulizia dei dati e analisi ripetitive. Ed è semplice come impostare le condizioni per l'acquisizione e l'organizzazione dei dati. "Alla fine della giornata, quando [gli ingegneri] avranno finito di misurare alcune parti, entrerò ed eseguirò uno script che impiegherà 15 secondi", afferma Anderson. "Farlo a mano [come abbiamo fatto in passato] mi richiede almeno 30 minuti."
Da 300 a 750 fiale al minuto, Valor Glass raddoppia la velocità della linea di produzione, per i vaccini COVID-19 e non solo
Una formulazione meticolosamente ottimizzata su tutti i parametri, Valor Glass ha stabilito un nuovo standard di riferimento per il confezionamento farmaceutico dopo il suo rilascio e approvazione da parte della FDA alla fine del 2019. I suoi vantaggi erano evidenti: mentre le linee di produzione tradizionali potevano funzionare solo a velocità comprese tra 300 e 400 vial al minuto, le fiale Valor Glass consentono ai produttori di far funzionare gli impianti a velocità fino a 750 vial al minuto, più che raddoppiando la capacità complessiva di un impianto praticamente durante la notte .
Entro i primi mesi del 2020, mentre il nuovo coronavirus SARS-CoV-2 si stava diffondendo rapidamente in tutto il mondo, è diventato evidente quanto fosse tempestiva l'innovazione di Corning. Tale innovazione è stata riconosciuta dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti nel giugno 2020, quando l'Autorità per la ricerca e lo sviluppo avanzata biomedica ha assegnato a Corning una sovvenzione di 204 milioni di dollari per espandere rapidamente la produzione di Valor Glass.
Con Valor Glass ora pronto ad accelerare i tempi di consegna per i vaccini COVID-19 in tutto il mondo, l'investimento di 10 anni di Corning in ricerca e sviluppo meticolosi e basati sui dati ha dato i suoi frutti non solo nei primati di progettazione, ma in un impatto reale sulla società. L'accelerazione della distribuzione dei vaccini può letteralmente salvare delle vite.
