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Bioprozessüberwachung und -optimierung So analysieren Sie Zellkulturmedien automatisiert

| Autor / Redakteur: Dr. Isabelle Spenner* / Dr. Ilka Ottleben

Bioreaktor statt chemische Synthese: Immer mehr moderne Arzneimittel werden in biologischen Prozessen hergestellt. Das Besondere dabei: Nicht nur die Herstellung unterscheidet sich von klassischen Pharmazeutika, sondern auch die Qualitätskontrolle stellt die Analytiker vor völlig neue Herausforderungen.

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Abb. 1: Kontrolle eines Bioreaktors
Abb. 1: Kontrolle eines Bioreaktors
(Bild: ©Ivan Traimak - stock.adobe.com)

Ein Blick auf die chemischen Summenformeln lässt es sofort erahnen: mit den klassischen Medikamenten wie Aspirin haben biopharmazeutische Wirkstoffe nicht mehr viel gemeinsam. Ganze 21 Atome bilden das Aspirin-Molekül, ein biopharmazeutischer Wirkstoff kommt dagegen auf stolze 20.000 bis 25.000 Atome. Für die großtechnische Herstellung dieser großen Peptid-Moleküle werden daher auch keine chemischen Synthesereaktionen verwendet, sondern die Wirkstoffe werden von gentechnisch veränderten lebenden Zellen produziert.

Zellkultur: Anspruchsvolle Zellen erfolgreich wachsen lassen

Allein das Handling dieser Zellen ist anspruchsvoll: Sie werden für die Lagerung eingefroren und vor ihrer Verwendung möglichst schonend wieder aufgetaut. Und auch in der für sie ungewohnten Umgebung im Reaktor müssen sie sich so wohl fühlen, dass sie gut gedeihen und den gewünschten Wirkstoff in einer gleichbleibend hohen Qualität produzieren.

Die dafür verwendeten Nährlösungen bestehen aus einem empfindlichen Gleichgewicht aus über 100 verschiedenen Substanzen: von Zuckern über Amino- und Nukleinsäuren bis hin zu Vitaminen oder Primärmetaboliten und anderen biologisch relevanten Komponenten.

Für optimale Bedingungen müssen all diese Verbindungen kontinuierlich überwacht werden, um die Qualität der Produkte hoch zu halten und die optimale Ausbeute aus dem langwierigen Zellwachstumsprozess zu erhalten. Denn die teure und aufwändige Heranzucht der Zellen dauert: Oft vergehen mehrere Wochen bis zur Ernte.

Methoden zur Überwachung von Zellkulturmedien

Um die Zellen permanent unter den bestmöglichen Bedingungen aufzuziehen, werden die Nährlösungen, die so genannten Zellkulturmedien, regelmäßig auf ihre Zusammensetzung kontrolliert. Dazu kommen traditionell insbesondere Biosensoren zum Einsatz. Diese einfachen Messmethoden sind jeweils auf bestimmte Analyten festgelegt. Es gibt Sensoren für Glukose, Laktat, Ammonium, Glutamin und Glutamat. Aber auch Gase wie Sauerstoff oder Kohlendioxid, der pH-Wert oder die Osmolarität – also die Anzahl der gelösten Stoffe in der Lösung – können über Biosensoren bestimmt werden. Allerdings geraten die Biosensoren schnell an ihr Limit. Die einzelnen Messungen reichen nicht aus, um einen vollständigen Überblick über die Qualität der Nährlösungen zu bekommen.

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Anspruchsvolle Zellkulturen

Tierische Zelllinien, wie die aus Ovarien des Chinesischen Hamsters (CHO-Zellen, Chinese Hamster Ovary) sind begehrte „Fabriken“ für biopharmazeutische Produktionsprozesse. Im Organismus, hier also im Tier, werden die Zellen über das Blut mit allen notwendigen Nährstoffen versorgt. Das sind u.a. verschiedene Zucker, Aminosäuren, Vitamine, Spurenelemente, Antioxidanzien. Damit die Zellen optimal wachsen, muss versucht werden, diese „Nährstoffumgebung“ mit einem künstlichen Nährmedium nachzuahmen. Daneben sind, ebenfalls wie im Blut, der pH-Wert sowie die Konzentrationen von gelöstem Kohlendioxid und Sauerstoff entscheidende Parameter für den Prozess und müssen im Bioreaktor kontrolliert werden.

Das Monitoring mittels Biosensoren kann daher nur beschränkt Aussagen zur Produktqualität treffen. Spezielle Faktoren, die bei der Synthese von Peptiden auftreten können, werden schlicht nicht erfasst, wie post-translationale Modifikationen (PTMs), Glykosylierung, Ladungsvarianten und die Aggregatprofile von Wirkstoffen wie monoklonalen Antikörpern. Diese zu überprüfen, ist aber in der Qualitätskontrolle unabdingbar. Veränderungen in den PTMs eines Proteins beeinflussen, wie dieses mit anderen Proteinen wechselwirkt; die Glykosylierung spielt eine wichtige Rolle für die Struktur, Funktion und Stabilität eines Peptids – all diese Faktoren haben also einen großen Einfluss auf die Wirksamkeit und die Sicherheit des Biopharmazeutikums.

Es ist der Gesamteindruck, der zählt

Um ein komplettes Bild zu bekommen, müssen Wissenschaftler zusätzliche analytische Methoden wie die Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) oder die Single-Quadrupol-Massenspektrometrie (SQ-MS) einsetzen. Der analytische Prozess ist in diesem Fall fragmentiert. Gerade die Entwickler biopharmazeutischer Prozesse müssen
allerdings in der Lage sein, alle Medienkomponenten, PTMs und Prozessverunreinigungen zu identifizieren, die die Produktqualität beeinträchtigen. Denn nur so können sie zuverlässige und ertragreiche Prozesse gestalten und optimieren.

Aber auch beim Schritt von der Entwicklung zur Vermarktung müssen sich Produzenten neuen analytischen Herausforderungen stellen. Wenn sie von der traditionellen Serienfertigung zur kontinuierlichen Fertigung übergehen, muss die Produktqualität in den Betrieben während des gesamten Prozesses in Echtzeit überwacht werden. Dabei geht es nicht nur um die Überwachung der optimalen Zuchtbedingungen für das Wachstum der Zellkulturen, sondern auch um den idealen Zeitpunkt zur Ernte.

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