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Vaccini COVID-19: L'ascesa del congelatore a bassissima temperatura

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Prima della fine del 2020, poche persone al di fuori dei circoli medici, industriali e accademici avevano sentito parlare dei congelatori a bassissima temperatura (ULT). Ma quando Pfizer ha annunciato che il suo vaccino avrebbe richiesto una conservazione a -70° C, un mondo che chiedeva a gran voce una via d'uscita dalla pandemia ha sviluppato un ritrovato interesse per la conservazione ultrafredda. Ma come funzionano questi super congelatori? Quali sono le sfide nel produrli? Oltre alla conservazione dei vaccini, quali sono le altre applicazioni?

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Dusty Tenney, CEO di Stirling Ultracold, con sede negli Stati Uniti, che produce tre dimensioni di congelatori ULT, che operano da -20°C a -86°C, per le scienze della vita e la ricerca biofarmaceutica, dice:

"Come recentemente osservato su Forbes, la pandemia COVID-19 sarà ricordata come il 'grande acceleratore' delle tendenze tecnologiche, nonostante il suo impatto oltremodo tragico sulla salute globale e sull'economia. I congelatori ULT alimentati dal motore Stirling hanno sempre avuto il loro spazio all'interno delle bioscienze, ma la medicina sta avanzando più velocemente che mai e la conservazione ultrafredda è necessaria per commercializzare questi trattamenti. Siamo profondamente umiliati dalla gravità di questa pandemia e abbiamo scalato le nostre capacità di produzione per sostenere questa domanda senza precedenti"

Temperatura critica

I vaccini COVID-19 che richiedono la conservazione a freddo per evitare la degradazione sono basati sull'RNA messaggero (mRNA), come quelli sviluppati da Pfizer-BioNTech e Moderna. I vaccini mRNA sono un nuovo tipo di terapia usata per proteggere dalle malattie infettive. Questi vaccini insegnano alle cellule dei pazienti a produrre una proteina che innescherà una risposta immunitaria nel corpo e produrrà anticorpi contro il virus per la protezione da esposizioni future. Usano un breve frammento di mRNA con lo stesso codice dell'RNA della SARS-CoV-2, il coronavirus che causa il COVID-19.

Per il signor Tenney,

"I grandi progressi della scienza richiedono tempo e i vaccini mRNA, come molte altre terapie avanzate, hanno dimostrato di essere molto fragili e instabili a temperatura ambiente o refrigerata. La velocità con cui questi vaccini sono stati introdotti sul mercato significa che sono necessarie temperature di conservazione a freddo in loco per la somministrazione per massimizzare l'efficacia del farmaco. Ulteriori test di stabilità saranno necessari per ridurre i requisiti di stoccaggio ultrafreddo del vaccino, se possibile. Se i requisiti di stabilità vengono ridotti, come quelli di Pfizer recentemente [tra -25° C e -15 °C per due settimane], molto probabilmente sarà per una breve durata di conservazione. Tutto ciò che richiede uno stoccaggio a lungo termine si affiderà ancora alle temperature ultrafredde per la conservazione"

Aggiunge che un altro esempio di vaccino che richiede la conservazione a temperature ultrafredde è il vaccino Merck, Sharp & Dohme Ebola, Ervebo. Inoltre, i congelatori ULT aumentano anche la durata di conservazione dei vaccini, che è fondamentale per la distribuzione globale.

Studi di termostabilità

Le temperature ultra-basse sono spesso richieste nelle fasi iniziali dello sviluppo del vaccino, dice Dan Hensler, vicepresidente vendite e marketing della statunitense So-Low Environmental Equipment. So Low produce congelatori ULT per la ricerca accademica, la conservazione ultrafredda e i casi d'uso industriali dal 1959 e attualmente produce modelli verticali e a cassa.

"Per capire i requisiti di temperatura di un vaccino, un produttore di farmaci farà dei lunghi studi di termostabilità, essenzialmente lasciando un vaccino a una certa temperatura e studiando i risultati di un test sulla sua stabilità. Questo inizierà a temperature ultra-fredde e poi passerà a temperature normali di congelamento e poi a una gamma di frigorifero. Per esempio, il vaccino Johnson & Johnson può essere conservato a 2°C a 8°C, tuttavia, viene inizialmente conservato congelato dal produttore prima della spedizione e poi scongelato"

Mantenere il freddo

La Binder GmbH produce due dimensioni (550L e 700L) di congelatori ULT nella sua sede in Germania. Il Dr. Jens Thielmann, Product Manager, dice che, come molti altri congelatori ULT sul mercato, i suoi modelli utilizzano un sistema di refrigerazione a compressione di vapore a due stadi.

"Al giorno d'oggi, vengono utilizzati gas refrigeranti naturali che non contribuiscono significativamente al riscaldamento globale. E per mantenere il consumo di energia al minimo, i pannelli isolanti sotto vuoto altamente efficaci sono incorporati nelle pareti di schiuma PUR tutto intorno"

Binder, tuttavia, incorpora un design che utilizza un pistone alternativo e un dislocatore, insieme a un termosifone continuo, guidato dalla gravità, per raffreddare l'interno dell'armadio.

"Le due parti mobili non si usurano mai perché i cuscinetti a gas eliminano ogni contatto fisico durante il movimento, come un disco su un tavolo da air hockey. Il pistone e il dislocatore, espandono e comprimono l'elio nel motore, assorbendo il calore dalla termosifone, mantenendo l'armadio freddo. Il refrigerante si condensa in liquido vicino alla zona di espansione del motore Stirling e poi scorre attraverso il termosifone a circuito chiuso. Quando il calore viene assorbito dall'armadio interno del congelatore, si trasforma in gas, risalendo il termosifone dove viene raffreddato di nuovo a un liquido e il processo si ripete"

Funzionamento affidabile

Il direttore delle vendite Roberto Buzzi, della spagnola Telstar, che produce anche una gamma completa di congelatori ULT, descrive le sfide affrontate dai produttori.

"La prima è progettare un sistema di raffreddamento affidabile e robusto. Il valore del contenuto di un ULT in una struttura di ricerca supera di gran lunga il costo di un congelatore e i clienti devono essere sicuri di poter contare sull'attrezzatura. Il consumo di energia è attualmente un aspetto che i produttori devono prendere in considerazione e lavorare per migliorare. Unità che siano il più possibile compatte e che possano essere posizionate facilmente in loco è un altro aspetto chiave. I congelatori ULT richiedono ruote robuste e a volte devono passare attraverso porte standard, quindi sia l'altezza che la larghezza o la profondità sono fondamentali"

L'attrezzatura si basa su un sistema di controllo a microprocessore che monitora tutti i parametri, mentre i sistemi di allarme sia visivo che acustico avvertono gli utenti di eventuali anomalie.

"Spesso le unità sono collegate a un sistema di gestione digitale del laboratorio utilizzando una sonda di temperatura indipendente per segnalare le anomalie a distanza, assicurando l'avvio di una chiamata di assistenza locale nel più breve tempo possibile. Gli ULT possono anche essere dotati di sistemi di back-up di sicurezza che si basano su una fornitura indipendente di CO2 o azoto liquido per entrare in funzione quando la temperatura interna scende al di sotto di un certo punto stabilito"

Varie applicazioni

I congelatori ULT hanno molti altri usi: questi includono lo stoccaggio di campioni di tessuto, enzimi e altri materiali biologici nei laboratori. Sono anche usati per lo stoccaggio nell'industria alimentare, specialmente per il pesce, e per lo stoccaggio e l'estrazione di prodotti chimici per applicazioni industriali. Il signor Hensler osserva che,

"Nel settore della cannabis medica, i congelatori ULT sono utilizzati nel processo di estrazione della cannabis"

Mentre i congelatori Stirling Ultracold sono principalmente per uso biologico, dice il signor Tenney, hanno anche un ruolo nella medicina veterinaria, così come nella geologia e nell'oceanografia. Ma, sottolinea:

"So che la nuova domanda sta aumentando nella lavorazione dei microchip, nei prodotti petrolchimici e nelle applicazioni di saldatura a freddo dei metalli, ma siamo solo all'inizio in questi rispettivi mercati. Crediamo anche che il mondo delle CAR-T [chimeric antigen receptor T-cell] e delle terapie cellulari e geniche continuerà a richiedere applicazioni ancora più fredde e noi puntiamo ad arrivarci"