Témoignage client

Corning accélère la livraison des vaccins contre la COVID-19 grâce à un conditionnement pharmaceutique innovant

Une nouvelle formulation en verre révolutionnaire est sur le point de réduire de moitié les délais de production des vaccins – Une découverte initiée par les plans d'expériences de JMP®.

Photo de Christopher Payne

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Corning

DéfiBien que la distribution des vaccins contre la COVID-19 ait déjà commencé, il pourrait falloir des mois, voire des années, pour que les sociétés pharmaceutiques en produisent des quantités suffisantes afin de répondre aux besoins mondiaux. La vitesse de fonctionnement des chaînes de production a longtemps été limitée par un facteur déterminant : la résistance mécanique et chimique des flacons médicaux en verre, qui, même pour les meilleurs, montre ses limites lorsque les machines tournent trop vite.
SolutionLes chercheurs et les ingénieurs de Corning ont fait appel aux plans d'expériences (DOE) pour mettre au point un nouveau verre révolutionnaire – Valor® Glass – visant à accélérer la production pharmaceutique. Et ce sont JMP et JMP Pro, en leur qualité de meilleurs outils DOE du marché, qui ont été choisis pour la réalisation de ces travaux.
RésultatsL'innovation de Corning permet d'augmenter les débits de production de 50 %, établissant, selon les termes du vice-président Brendan Mosher, « une nouvelle norme de qualité et de performance pour le conditionnement pharmaceutique. » En faisant passer la capacité des chaînes de production pharmaceutique standard de 300 à 750 flacons par minute, le verre Valor Glass entend accélérer la livraison des vaccins contre la COVID-19 dès son homologation.

Alors que les nations du monde entier sont confrontées à la pandémie la plus meurtrière depuis un siècle, les chercheurs se sont attelés à la mise au point d'un vaccin sûr et efficace contre la COVID-19. En septembre 2020, 40 candidats-vaccins étaient en phase d'essais cliniques et plus de 90 faisaient l'objet de recherches précliniques actives sur les animaux. Néanmoins, la découverte d'un vaccin constitue seulement la première étape vers une immunité collective mondiale par la vaccination. En effet, la production à grande échelle entraînera très certainement de grandes insuffisances au niveau de la distribution.

Dans la mesure où de nombreux vaccins-candidats nécessitent plusieurs doses par personne, les experts estiment entre 7 et 15 milliards le nombre de doses nécessaires dans le monde pour la seule année 2021. Les sociétés pharmaceutiques sont aujourd'hui soumises à une pression sans précédent pour accélérer la production bien au-delà des délais habituels. « La difficulté n'est pas de fabriquer le vaccin lui-même, mais de remplir les flacons », déclarait à la presse Pascal Soriot, directeur exécutif et PDG d'AstraZeneca, à la mi-2020.

Comme pour beaucoup de candidats-vaccins développés en 2020, les vaccins sont produits en grandes quantités, mais conditionnés dans de petits flacons en verre contenant chacun entre une et dix doses afin d'en faciliter la distribution. Or, le processus de remplissage des flacons a toujours été sujet à des arrêts et retards de production qui ralentissent les délais de mise à disposition des médicaments ou des vaccins auprès des patients.

Les chaînes de production pharmaceutique modernes sont hautement automatisées et, bien que les machines les plus avancées puissent en principe fonctionner à des vitesses élevées, de telles cadences provoquent le délaminage ou la rupture des flacons, y compris ceux en borosilicate, la référence absolue du secteur. La résistance chimique du borosilicate à des températures extrêmes pose également de sérieux problèmes aux fabricants de vaccins qui se conservent à des températures très basses, comme par exemple le vaccin contre la COVID-19 mis au point par Pfizer et BioNTech en 2020.

Pour remédier à ces problèmes et à d'autres contraintes de production liées au verre, Corning Incorporated s'est associé à plusieurs grands acteurs de l'industrie pharmaceutique. Ses chercheurs ont entamé dès 2012 des travaux dans le domaine de la formulation du verre en vue de développer un nouveau produit haut de gamme destiné aux sciences de la vie. Corning et ses partenaires ont testé plus de 200 compositions de verre différentes avant de mettre au point un nouveau verre à base d'aluminosilicate, dont la résistance mécanique et chimique était plus de 10 fois supérieure à celle de la référence précédente.

Le verre Valor® Glass était né : une innovation vitale commercialisée quelques mois avant l'apparition de la COVID-19 à Wuhan, en Chine.

« Le verre Valor Glass établit une nouvelle norme de qualité et de performance pour le conditionnement pharmaceutique, a affirmé Brendan Mosher, vice-président et directeur général de Corning Pharmaceutical Technologies. Il est destiné aux produits pharmaceutiques et permettra, grâce à ses propriétés exceptionnelles, d'accélérer et de fiabiliser la production et la livraison des médicaments – des qualités essentielles dans la lutte contre la pandémie de SARS-CoV-2. »

Voilà comment Corning a réussi à mettre sur pied une équipe R&D extrêmement avertie et à mettre au point une nouvelle catégorie de verre permettant de multiplier par deux la production pharmaceutique du jour au lendemain.

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Une quête sur trois fronts : la résistance chimique, la solidité et la « machinabilité »

Ce qui était un tout petit projet en 2011 s'est progressivement transformé en une division entière au sein du département des sciences de la vie de Corning. Comme l'explique Michael Anderson, aujourd'hui ingénieur senior en développement de statistiques et de mesures, la mission de l'équipe consistait au départ à améliorer la résistance mécanique et chimique des contenants pharmaceutiques, en collaboration avec Merck, son partenaire de développement initial. M. Anderson a rejoint l'équipe vers 2013, d'abord en tant que statisticien en soutien aux ingénieurs du projet, puis en tant qu'expert en métrologie pour la R&D.

Corning avait conscience que l'un des problèmes majeurs de l'industrie pharmaceutique était la contamination au bore ; les médicaments caustiques en particulier provoquaient le délaminage de la paroi interne des flacons classiques en verre borosilicate avec le temps, ce qui finissait par altérer des lots entiers de médicaments et de vaccins. « Les difficultés que rencontrent les fabricants de produits pharmaceutiques évoluent avec le temps », confie M. Anderson. Après avoir trouvé une solution à la résistance chimique, Corning a été invité par ses partenaires de développement à remédier aux problèmes de casse. Pfizer a finalement rejoint le projet, les scientifiques se concentrant alors sur l'optimisation des processus de production, à la recherche d'un moyen de réduire la friction causée par les revêtements habituels des flacons.

« Si votre objectif est de remplir 500 millions de flacons à l'aide des machines actuelles au cours des six prochains mois, la vitesse de déplacement des flacons constitue soudainement votre principale préoccupation, poursuit M. Anderson. C'est ce que nous appelons la "machinabilité" », c'est-à-dire la vitesse à laquelle une chaîne de production peut fonctionner.

La formulation d'un verre unique capable de répondre à ces trois exigences a nécessité des années d'expérimentation et de développement, avec parfois des retours à la case départ et des améliorations par étape. Un travail de longue haleine, confie M. Anderson, mais qui doit sa réussite au savoir-faire ancestral de Corning en science du verre et à son intérêt pour les statistiques des procédés.

Chez Corning, tout le monde est ingénieur des procédés

Corning jouit d'une profonde culture scientifique, et ses dirigeants, dont beaucoup sont d'anciens statisticiens et chercheurs en R&D, prônent l'adoption massive des méthodes statistiques. Comme l'explique M. Anderson, les employés de Corning sont tous tenus de maîtriser les statistiques et ce, quel que soit leur poste, des matériaux et de la production jusqu'à la chaîne logistique. Leur devise ? Tout le monde est ingénieur des procédés, et tout ingénieur des procédés doit être capable d'analyser des données.

En contrepartie de ses attentes élevées en matière de compétences statistiques, Corning fournit à ses employés les meilleurs équipements et outils du marché afin qu'ils puissent mettre en œuvre les méthodes statistiques et les plans d'expériences les plus efficaces. Contrairement aux autres entreprises, souligne M. Anderson, « Corning veille tout particulièrement à ce que ses employés disposent des outils dont ils ont besoin ». Pendant de nombreuses années, ils ont donc utilisé Minitab, un progiciel statistique solidement établi dans le secteur.

Cependant, les contraintes du logiciel ont fini par l'emporter sur ses avantages : « Comme tous les utilisateurs de Minitab le savent, si vos colonnes ne sont pas exactement de la même taille, vous courez droit aux ennuis, ajoute-t-il. Et lorsque les ingénieurs en chef entendent à répétition "je veux réaliser telle présentation, mais je ne sais pas comment faire dans Minitab", ils finissent par aller voir ailleurs. »

Corning s'est alors tourné vers les logiciels JMP et JMP Pro, deux des plus appréciés des professionnels du secteur, qui allient de solides statistiques à des représentations graphiques conviviales. « Avec des données déséquilibrées par exemple, JMP vous indique quels sont les risques, les gère et vous laisse libre de prendre la décision qui s'impose plutôt que de simplement renoncer », explique M. Anderson. JMP propose « un produit à prix compétitif, qui réunit à la fois des outils courants pour les ingénieurs et des outils statistiques avancés pour résoudre les problèmes que rencontrent les ingénieurs et les chercheurs dans leur travail quotidien. »

En référence au processus de développement du verre Valor Glass, M. Anderson ajoute en riant : « on a du mal à réaliser que nous avons travaillé sans JMP à une époque ». L'un des domaines clés qui a orienté le choix vers ce logiciel était les plans d'expériences (DOE).


« Nous souhaitons en apprendre à hauteur de ce que nous payons. Quand j'insiste pour réaliser un plan d'expériences complet, je ne rencontre jamais de résistance. [Les DOE] sont désormais bien ancrés dans la culture de Corning. »

– Michael Anderson, ingénieur senior en développement de statistiques et de mesures

Les plans d'expériences : une approche plus stratégique de l'expérimentation où même les échecs procurent des informations précieuses

Les plans d'expériences constituent une branche des statistiques appliquées dans laquelle on utilise des tests contrôlés afin d'identifier et d'analyser les facteurs qui affectent un paramètre ou un groupe de paramètres. Les chercheurs peuvent ainsi collecter et analyser les données avec précision afin de mieux comprendre les interactions entre ces facteurs, avec la possibilité de manipuler plusieurs facteurs d'entrée en même temps.

M. Anderson précise que la fonction DOE de JMP, entre autres, a joué un rôle clé dans l'optimisation des ratios et des variations des composants dans les processus de formulation de Valor. « Il y a l'augmentation de la résistance chimique afin de renforcer la solidité du verre et aussi le revêtement extérieur qui permet de faire circuler les flacons deux fois plus vite sur les lignes de remplissage des usines », explique-t-il, ajoutant que chaque caractéristique comporte des sous-caractéristiques qui nécessitent également d'être optimisées.

« Il va sans dire qu'il n'y a pas de solution toute faite avec les matériaux. Augmenter un [facteur] se fait souvent au détriment d'un autre. Nous souhaitions que notre revêtement soit aussi transparent que possible, mais aussi qu'il puisse survivre à toutes les opérations qu'il subit [lors du remplissage], par exemple, explique-t-il. Le nombre de plans d'expériences que nous avons réalisés en matière de formulation, de surface de réponse et de mélange afin d'optimiser les ratios de composants et d'en déterminer les sous-composants est colossal. »

Corning a eu la bonne idée de mettre l'accent sur la R&D dans une mesure inégalée par bon nombre de ses concurrents, en allouant suffisamment de fonds à l'expérimentation pour permettre aux équipes de développement d'échouer. « Pouvoir échouer coûte cher, mais c'est un élément essentiel de l'expérimentation, précise M. Anderson. Et chez Corning, je n'ai jamais rencontré de résistance significative à la conduite d'expériences. Nous souhaitons en apprendre à hauteur de ce que nous payons. Quand j'insiste pour réaliser un plan d'expériences complet, je ne rencontre jamais de résistance. [Les DOE] sont désormais bien ancrés dans la culture de Corning. »

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JMP®, l'outil incontournable pour les DOE et l'apprentissage statistique

Le plan en soi n'est qu'une partie du plan d'expériences. L'analyse est tout aussi importante, quel que soit le type de plan mis en œuvre. Lors du développement de Valor Glass, il était essentiel pour l'équipe de pouvoir non seulement identifier les facteurs clés, leurs forces et leurs interactions, mais aussi visualiser tout cela graphiquement, explique M. Anderson. Certains cas se résumaient à visualiser la régularité sur les parois d'un flacon ; « en la visualisant, vous savez immédiatement si quelque chose cloche ».

Pouvoir visualiser les données graphiquement accélère le processus analytique, car cela permet de vérifier la qualité d'un seul coup d'œil, un domaine dans lequel excelle JMP, ajoute M. Anderson. Grâce aux divers profileurs du logiciel, les utilisateurs peuvent facilement manipuler les espaces de plan de manière interactive et ainsi identifier visuellement les points des facteurs et les régimes d'exploitation viables. « Cette facilité à représenter les données sous forme de graphiques interactifs est ce qui m'a séduit dans JMP il y a 29 ans, et c'est toujours le cas aujourd'hui. Je pense que tout le monde considère le Constructeur de graphiques comme le cœur de l'environnement JMP », conclut M. Anderson.

La plate-forme Constructeur de graphiques de JMP est souvent considérée comme un point de départ pour les personnes qui débutent dans le domaine des statistiques industrielles appliquées. À partir de là, Corning propose aux utilisateurs de se perfectionner via son vaste catalogue de ressources pédagogiques (formation interne et continue). Corning a adapté ses cours de statistiques internes à l'évolution des outils, notamment le cours d'introduction sur l'interprétation des données, explique M. Anderson. « Durant mes 12 années chez Corning, j'ai vu ce cours sans ordinateurs passer à Minitab, puis à JMP il y a quatre ou cinq ans. » Les cours plus avancés comprennent les DOE, les systèmes qualité et l'analyse des systèmes de mesure.

Parmi ces perspectives de développement, Corning propose une formation JMP spécialisée en collaboration avec SAS Education et des journées JMP annuelles destinées aux niveaux débutant, intermédiaire et avancé. Un forum interne accueille également des groupes d'utilisateurs autour d'un large éventail d'applications.

De 30 minutes à seulement quelques secondes les scripts personnalisés peuvent répeter les analyses

Alors que le volume de données augmente suite au projet de transformation numérique de Corning et que les technologies industrielles, chez Corning et dans l'ensemble du secteur, deviennent plus intégrées, les équipes R&D recherchent des outils adaptés pour interroger et analyser les données et éviter les éventuels écueils du cloisonnement. Les scripts, explique M. Anderson, permettent aux ingénieurs de personnaliser les compléments afin d'extraire des données de plusieurs bases simultanément. L'entreprise obtient ainsi de meilleurs résultats aussi bien au niveau de la production que du développement.

Les scripts personnalisés écrits en JSL (JMP Scripting Language) permettent également de s'affranchir des longues tâches de nettoyage des données et des analyses répétitives. Et c'est aussi simple que de définir les conditions de collecte et de gestion des données. « Lorsque [les ingénieurs] ont fini de mesurer certaines pièces, je lance un script, ce qui me prend en tout et pour tout 15 secondes, souligne M. Anderson. Faire cela à la main [comme par le passé] me prendrait au moins 30 minutes. »

De 300 à 750 flacons par minute, Valor Glass double la vitesse des lignes de production – pour les vaccins contre la COVID-19 et au-delà

Grâce à une formulation méticuleusement optimisée à tous les niveaux, Valor Glass a établi une nouvelle norme de référence pour le conditionnement pharmaceutique dès sa sortie et son homologation par la FDA fin 2019. Ses avantages étaient incontestables : alors que les lignes de production classiques étaient limitées à une cadence comprise entre 300 et 400 flacons par minute, le verre Valor Glass permet aux industriels d'atteindre une cadence de 750 flacons par minute, soit plus du double du débit habituel, et ce, quasiment du jour au lendemain.

Dès les premiers mois de 2020, alors que le nouveau coronavirus SARS-CoV-2 se propageait rapidement dans le monde entier, l'innovation de Corning s'est révélée tout à fait opportune. Cette innovation a été officiellement reconnue par le département de la défense des États-Unis en juin 2020, après que la Biomedical Advanced Research and Development Authority a accordé à Corning une subvention de 204 millions de dollars pour développer rapidement la production de verre Valor Glass.

Avec Valor Glass dans les starting-blocks pour raccourcir les délais de livraison des vaccins contre la COVID-19 dans le monde entier, les dix ans de recherche et de développement minutieux et orientés données investis par Corning ont fini par porter leurs fruits. Ils ont non seulement permis de franchir un nouveau cap en matière de design, mais aussi d'apporter une contribution positive à la société. Accélérer la distribution des vaccins peut en effet sauver des vies.

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