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Biopharmazeutika

Optimierte Biopharmazeutika aus Mooszellen

01.07.2008 | Autor / Redakteur: Ilka Ottleben* / Ilka Ottleben

1 Filamentöses Protonema von Physcomitrella patens: Das Moos ist nach der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, Reis und der Pappel die vierte Pflanze, deren Genom vollständig sequenziert vorliegt.
1 Filamentöses Protonema von Physcomitrella patens: Das Moos ist nach der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, Reis und der Pappel die vierte Pflanze, deren Genom vollständig sequenziert vorliegt.

Das Heilbronner Unternehmen Greenovation Biotech produziert pharmazeutisch wirksame Glykoproteine mithilfe von Mooszellen in geschlossenen Photobioreaktoren. Ein wichtiger Schritt zur produktionstechnischen Umsetzung der Biopharmazeutika Herstellung war jüngst die Inbetriebnahme einer 100 Liter-Pilotanlage.

Dem Kleingärtner ein Dorn im Auge, lösen Moose in Heilbronn wahre Begeisterungsstürme aus – zumindest bei den Forschern von Greenovation Biotech mit Hauptsitz in der „Käthchenstadt“ und einer Niederlassung in Freiburg. Das 1999 als Spin-Off der Universität Freiburg von den Professoren Ralf Reski und Gunther Neuhaus gegründete Biotechnologie-Unternehmen produziert und optimiert pharmazeutisch wirksame Glykoproteine im kleinen Blasenmützenmoos Physcomitrella patens. Bryotechnologie nennt das 18 Mitarbeiter starke Unternehmen diese bislang einzigartige Technik (Bryophyten = Moose). Der Vorteil der Mooszellen: Sie lassen sich einfach und kostengünstig kultivieren, sind vielseitig und – im Gegensatz zu Hefen oder Säugetierzelllinien wie CHO-Zellen – genetisch äußerst stabil (s. Interview).

Antikörper gegen Krebs

Insbesondere bei der Produktion rekombinanter Antikörper für die Krebstherapie sehen die Heilbronner Forscher ein enormes Marktpotenzial. Seit mittlerweile zehn Jahren sind tumorspezifische Antikörper, die gezielt Zelltoxizität vermitteln, auf dem Markt. Roche beispielsweise macht mit den drei Antikörper-basierten Krebsmitteln Avastin, Herceptin und Mabthera einen Umsatz von 15 Milliarden Dollar pro Jahr. „Insgesamt bewegt sich dieser Markt auf 100 Milliarden Dollar Jahresumsatz zu“, sagt Hans Bodo Hartmann, Gesellschafter bei Greenovation Biotech und seit 2004 für die strategische Ausrichtung des Unternehmens verantwortlich. Weltweit befinden sich über 300 Antikörperprogramme in klinischen Phasen. Problem: bisherige Antikörpertherapien sind teuer. 10 bis 20 mal mehr kosten sie als eine übliche Chemotherapie mit Knochenmarkschutz. Zurückzuführen ist das in erster Linie auf die aufwändige Herstellung in CHO-Zellen und die hohen Kosten für die Downstream-Aufreinigung. Hier will Greenovation ansetzen. „Bryotechnologie senkt die Herstellungskosten durch einen einfacheren Herstellungsprozess und wirksamere Produkte“, erläutert Hartmann und spricht von einer möglichen Kostenreduktion von mindestens 40 Prozent. „So wird aus grün ganz schnell rot“, scherzt er und zielt damit auf das fortwährende Akzeptanzproblem der grünen Biotechnologie. Anders als „Molecular Pharming“-Ansätze, bei denen ganze Pflanzen eingesetzt werden, nutzt greenovation jedoch Mooszellen des Protonemas und kultiviert diese in vollständig geschlossenen Photobioreaktoren. Eine Sicherheitsdebatte rund um die Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen ist somit hinfällig. Die Mooszellen lassen sich über Monate hinweg kontinuierlich kultivieren und sezernieren das produzierte Protein direkt ins Medium. Das besteht im wesentlichen aus Wasser und einigen Nährsalzen sowie CO2 als Kohlenstoffquelle, wodurch sich Downstream-Prozesse vereinfachen und verkürzen lassen. So ist eine Protein-A-Aufreinigung bei bryotechnologisch hergestellten Produkten nicht notwendig. Darüber hinaus können möglicherweise durch eine effizienzsteigernde Glykosylierung um ein Vielfaches niedrigere Antikörperdosen mit der gleichen Wirkung eingesetzt werden (s. Interview). So zeigte ein im Moos hergestellter Lewis Y-spezifischer Antikörper in vitro eine bis zu 40fach verbesserte Tumorzelllyse [1].

Vor allem große Pharma- und Biotech-Unternehmen will Greenovation so zu einem Umstieg bewegen: „Wir sprechen vor allem die Kunden an, die schon über ein Produkt aus einer Säugetierzelllinie verfügen und dieses, z.B. im Rahmen einer life-cycle-extension optimieren wollen“, sagt Hartmann. Er rechnet damit, dass in zehn Jahren erste bryotechnologisch hergestellte Produkte auf dem Markt sind.

100 Liter-Pilotreaktor installiert

Für dieses ambitionierte Ziel hat sich das Unternehmen Unterstützung von der Göttinger Sartorius Stedim Biotech geholt. Denn obwohl Greenovation bereits Umsätze aus Produktentwicklungen erwirtschaftet, fehlte bislang eine größere Produktionsanlage. Das Ergebnis der Zusammenarbeit: ein 100 Liter-Photobioreaktor, der im Mai diesen Jahres im Freiburger Firmensitz in Betrieb genommen wurde. Wesentliche Vorarbeiten dazu erfolgten im Rahmen eines BMBF-Projekts in Kooperation mit der TU Karlsruhe. „Der Pilotreaktor ist auf die kontinuierliche Kultur von Mooszellen über Kultivierungsdauern bis zu einem Jahr ausgelegt“, sagt Dr. Reinhard Baumfalk, Vice President Operations Instruments bei Sartorius Stedim Biotech. Das stelle besondere Anforderungen insbesondere an die Steriltechnik auf pharmazeutischem Standard. Da die Mooszellen das Produkt direkt ins Medium sezernieren, kann das System im Perfusionsbetrieb gefahren und das wässrige Medium im Prozess von den Mooszellen abgetrennt werden. Das erfolgt schonend mithilfe von Spin-Filtern in einer separaten Abtrennungskammer.

Produktionstechnische Umsetzung

Derzeit sind mit Greenovations Expressionssystemen Ausbeuten von 10 bis 30 Milligramm an rekombinantem Protein pro Liter möglich. Verglichen mit tierischen Zelllinien, mit deren Hilfe mittlerweile im einstelligen Gramm-pro-Liter-Maßstab produziert wird, ist das zwar noch vergleichsweise wenig. „Wir wissen aber, dass wir deutlich mehr erreichen können“, sagt Dr. Gilbert Gorr, Forschungsleiter bei Greenovation. Zudem sei ein direkter Vergleich der Ausbeuten beider Systeme nur eingeschränkt möglich, da in Moosen kontinuierlich und über einen langen Zeitraum ein zudem wirkungsoptimiertes Produkt hergestellt werden könne. Mithilfe expressionsoptimierter Mooslinien und skalierter Bioreaktorsysteme strebt das Unternehmen langfristig Ausbeuten von 100 Milligramm pro Liter pro Tag an. In welchem Umfang die Bioreaktoren dazu erweitert werden müssen, steht noch nicht fest. „Der Bedarf ist heute noch nicht genau definiert“, so Prozesstechnik-Spezialist Baumfalk, „bei unserem derzeitigen Kenntnisstand gehen wir aber davon aus, dass er im einstelligen Kubikmeter-Maßstab liegen wird.“ Geplant ist zudem, die Systeme modular zu skalieren, d.h. mehrere Reaktoren hintereinander zu schalten. „Auf diese Weise können wir ein reines Dimensions-Upscale vermeiden, bei dem sich Stoffflüsse, Gasflüsse oder Scherkräfte und somit die Kulturbedingungen verändern würden“, erklärt Gorr. Ein wesentlicher Schritt hin zur biopharmazeutischen Produktion für die klinische Zulassung und Anwendung sei schon mit der jetzt eingeführten Pilotanlage gemacht, denn der Bioreaktor sei vollständig GMP-konform (GMP, Good Manufacturing Practice). „Sartorius hat von Seiten der Anlagentechnik alle Erfahrungen im GMP-konformen Anlagendesign eingebracht, um die entsprechenden GMP-Richtlinien umzusetzen“, so Baumfalk. Das ziele auch auf die Sicherstellung der Skalierbarkeit: „Auch für größere Systeme kennen wir bereits alle notwendigen Randbedingungen, die eingehalten werden müssen.“

Was noch fehlt, ist letztlich der Beweis, dass der bryotechnologische Ansatz auch im großtechnischen Maßstab funktioniert. Die Heilbronner Forscher sind sich sicher, diesen Beweis in naher Zukunft bringen zu können.

Literatur

[1] Schuster, M., Jost, W., Mudde, G. C., Wiederkum, S., Schwager, C., Janzek, E., Altmann, F., Stadlmann, J., Stemmer, C., Gorr, G. (2007): In-vivo glyco-engineered antibody with improved lytic potential produced by an innovative non-mammalian expression system. Biotechnol. J. 2:700-708

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