Technologie in Upstream und Downstream-Anwendungen
Raman-Spektroskopie sichert Produktqualität in der Biopharmazie
Inzwischen ist die Raman-Spektroskopie in der biopharmazeutischen Industrie ein Verfahren mit einer langen Anwendungsgeschichte. Die Technologie hat sich mit der Branche weiterentwickelt und die im Markt verfügbaren Analysegeräte sind die Antwort auf viele verfahrenstechnische Herausforderungen in biopharmazeutischen Upstream- wie Downstream-Prozessen. Die Entwicklung makromolekularer Therapeutika ist mit zeitaufwendigen und kostenträchtigen Prozessdurchläufen verbunden, die nötig sind, um das entsprechende Wissen aufzubauen und die Verfahren zu optimieren. Dabei ist auch die Skalierung vom Labormaßstab auf die Verfahrenstechnik eine Herausforderung, weil der Transfer der Modelle und der Qualitätstechniken von einer Stufe auf die nächste durchaus schwierig ist. Inzwischen finden sich Raman-Systeme allerdings in den Produktportfolios der Bioverfahrenstechnik, so dass ein reibungsloser Übergang vom Labor zur Prozesstechnik möglich wird.
Die besonderen Eigenschaften und Vorteile der Raman-Spektroskopie haben in der Biopharmazie schon zu einer vermehrten Übernahme der Technologie in Upstream-Anwendungen geführt. Für die Zukunft wird erwartet, dass sie auch in Downstream-Anwendungen breiter eingesetzt und unterstützend in der Zell- und Gentherapie herangezogen wird.
Was ist Raman-Spektroskopie?
Die Raman-Spektroskopie misst chemische Zusammensetzungen durch Anregung einer Probe, oft mit sichtbarem Licht oder Licht im nahen Infrarotbereich. Die angeregte Verbindung behält beim Übergang aus dem virtuellen angeregten Zustand zurück in den Grundzustand eine kleine Menge der Energie des Photons zurück. Die Darstellung dieser Übergänge in einem Spektraldiagramm macht es uns möglich, Änderungen in der Wellenlänge des gestreuten Lichts zu erkennen, die für die Molekülschwingungen der jeweiligen chemischen Verbindungen charakteristisch sind. Die Raman-Spektroskopie erzeugt also einen „molekularen Fingerabdruck“, den wir nutzen können, um einzelne chemische Substanzen nachzuweisen, zu quantifizieren und zu überwachen.
Die Geschichte der Raman-Spektroskopie in der biopharmazeutischen Industrie
Die Raman-Technologie wurde anfangs in wissenschaftlichen Laboren eingesetzt. Mit der Zeit hat sich die Technologie allerdings weiterentwickelt und die Bedienoberflächen sind benutzerfreundlicher geworden, so dass industrielle Anwendungen möglich geworden sind. Kurz gesagt waren es also Wissenschaftler, die damit begonnen haben, mit Raman-Geräten Kristallisationsprozesse und Endpunkte von Reaktionsprozessen zu beobachten. Heute findet man die Raman-Spektroskopie im Labor, in tragbaren Geräten, in der Industrie, in der Umweltüberwachung wie in der klinischen Forschung. Raman-Spektren sind so spezifisch, dass sie die Messung mehrerer Komponenten mit einer Glasfaseroptik-Sonde gestatten.
Die zunehmende Verwendung der Raman-Spektroskopie in der biopharmazeutischen Industrie hat in den letzten zwei Jahrzehnten noch einmal Fahrt aufgenommen. Machbarkeitsstudien sind in praktische Anwendungen umgesetzt worden, die den Nachweis erbracht haben, dass die Technologie verlässliche Messungen für die Überwachung von Kulturen in biotechnischen Upstream-Prozessen liefert. Im Industriebereich zeigt sich eine weiter steigende Anwendung in Zellkultur- und Fermentationsverfahren.
Die Technologie selbst entwickelt sich ständig weiter. Dabei arbeiten die führenden Anbieter von Raman-Geräten mit Pilotanwendern in der Biopharmazie zusammen. Gemeinsam arbeitet man daran, die Anforderungen der Praxis in die anstehende Entwicklung von Raman-Produkten einzubringen. Diese Partnerschaft bringt einige Vorteile mit sich, zum Beispiel die Übertragung bewährter Konzepte und generischer Modelle sowie die erfolgreiche Skalierung bis zu hin cGMP-kompatiblen Anwendungen und einer Raman-basierten Prozessführung.
Die Rolle der Raman-Spektroskopie in der Entwicklung großer Moleküle
Zur Entwicklung makromolekularer Therapeutika gehört die spezifische Anpassung der proteinerzeugenden Maschinerie in lebenden Wirtszellen. Vorrangiges Ziel sind monoklonale Antikörper (mAK), die in Säugetier-Zellen produziert werden, aber es können auch andere Molekülarten in Frage kommen. Makromolekulare Biopharmazeutika zielen auf bestimmte Bevölkerungsgruppen und werden meist zur Behandlung spezieller Krankheiten eingesetzt.
Die Komplexität der Entwicklung biotechnischer Verfahren ist zu einem großen Teil die Folge des enormen Zeitbedarfs einer Prozessoptimierung in sehr vielen Schritten. Dazu gehört die Entdeckung neuartiger Wirkstoffe, die Auswahl von Zelllinien, der Aufbau von Wissen über die Anforderungen und Grenzen eines Prozesses und ihre Beschreibung, die Optimierung der Bedingungen für die Zellkulturen im Sinne der Gesamt-Produktivität sowie die Ausgestaltung einer Aufbereitungsstrategie für eine maximale letztendliche Ausbeute. Viele dieser Schritte erfordern häufige Probenahmen einschließlich aufwendiger Offline-Untersuchungen und vielfältiger Analysetechniken. Das fehlende Wissen um Echtzeit-Verfahren bringt es mit sich, dass Wissenschaftler und Techniker gezwungen sind, sich auf post hoc Prüfverfahren zur Qualitätsanalyse der Produkte zu verlassen, ein limitierender Faktor, der den Zeitbedarf für klinische Studien genau wie für die cCMP-Zulassung und die gesamte Markteinführung wesentlich ausweiten kann.
Die Raman-Spektroskopie bietet besondere Vorteile, mit deren Hilfe die Herausforderungen gemeistert werden können, die sich an die Hersteller makromolekularer Biopharmazeutika stellen. Ein einzelner Raman-Analysator kann mit mehreren Sonden verbunden werden, und jede Sonde kann mehre Substanzen messen. So kann ein Analysator für die Überwachung, Steuerung und Optimierung mehrerer biotechnischer Prozessströme gleichzeitig eingesetzt werden, inline und in Echtzeit.
Raman ist damit ein praxistaugliches PAT-Werkzeug, mit dessen Hilfe Herstellungsprozesse nach QbD-Prinzipien realisiert werden können. Die Technologie hilft den Herstellern von Biopharmazeutika, ihre Produktqualität zu verbessern, Zykluszeiten zu verkürzen, die Ausbeute zu erhöhen, regulatorische Anforderungen zu erfüllen und Cross-Scale Verfahrenstransfers vom Labor bis zur Produktionsanlage zu erleichtern.
Aktuelle Fortschritte der Raman-Technologie in der Bio-Verfahrenstechnik
Biopharmazeutische Unternehmen benötigen skalierbare Modelle, kompatible Sonden und Instrumente, außerdem die Übertragbarkeit über verschiedene Produkte hinweg, damit ein Scale-up oder Scale-out effizient umgesetzt werden kann. Sie benötigen ein Raman-System, das mit Analysatoren, Sonden, Software und Zubehörteilen arbeitet, die gezielt für einen reibungslosen Übergang von Laborbedingungen in verfahrenstechnische Anlagen entwickelt wurden. Diese Fähigkeiten sind bereits in den biotechnischen Produktportfolios verfügbar und werden aller Voraussicht nach einen noch breiteren Einsatz der Raman-Spektroskopie in biotechnischen Messverfahren vorantreiben.
Daneben spielen für biotechnische Prozesse konstruierte und optimierte Fiberoptik-Sonden eine ganz wesentliche Rolle für die Effektivität der Raman-Technologie in der der Biopharmazie. Optiken für biotechnische Prozesse erfüllen strenge Materialstandards, sie passen zu den unterschiedlichen Schnittstellen kleinformatiger und großer Bioreaktoren und sind mit Reinigungs- und Sterilisationsvorschriften kompatibel.
Das Segment der miniaturisierten biotechnischen Anlagen schreitet ebenfalls voran. Raman-Analysatoren können jetzt auch in Micro- und Mini-Bioreaktoren integriert werden. Kleinere automatisierte Bioreaktoren machen eine schnelle Weiterentwicklung von Verfahren möglich, indem mehrere Reaktoren parallel betrieben werden und so eine echte DoE-Auswertung erlauben. Ein einziger Durchlauf einer automatisierten Bioreaktor-Plattform generiert ausreichend Daten, um robuste Modelle zu entwickeln, die eine Überwachung und Steuerung vieler Eigenschaften von Zellkulturen in Echtzeit erlauben.
Die Zukunft der Raman-Technologie in der biopharmazeutischen Produktion
Herstellungsverfahren mit Single-Use-Technologie überholen mit großer Geschwindigkeit Hard-Pipe-Anlagen, und die Entwicklung der Raman-Technologie verläuft parallel zu diesem Trend. Single-use Raman-Sondenarmaturen machen die Sterilisation beim Endanwender überflüssig und beseitigen das damit verbundene Kontaminationsrisiko. Integrierte Raman-Sonden von mehreren Anbietern machen eine Cross-Scale- und eine Cross-Plattform-Raman-Analyse möglich.
Continuous Manufacturing ist ein weiterer disruptiver Trend in der biopharmazeutischen Produktion, aber die fehlende Inline-Überwachung zur Unterstützung der Steuerungsstrategien bedeutet hier problematische Einschränkungen. Raman-Analysatoren bieten eine Lösung in Form von verlässlichen Inline-Messungen, die einen Echtzeit-Einblick in die Prozesse für Feedback- und Feedforward-Steuerungsstrategien ermöglichen.
Bei der Entwicklung von Zell- und Gentherapien ist es ganz wesentlich, die Zeit von der Forschung und Entwicklung bis zur Behandlung von Patienten so kurz wie möglich zu halten. Die Raman-Spektroskopie kann eingesetzt werden, um spenderspezifisches Zellverhalten, Nährstoffaufnahme und Metabolitenproduktion in Echtzeit zu überwachen. Das erlaubt ein unmittelbares Feedback aus dem Prozess, schnelleres Wissen und die Fähigkeit, die Produktion schon im ersten Versuch richtig zu gestalten.
Ein wichtiger Wachstumsbereich für die Raman-Spektroskopie sind den Erwartungen nach auch Downstream-Anwendungen. Aktuelle Studien betonen die Vorteile der Technologie zur Messung der Konzentration, Struktur, Kristallisation und Aggregation von Proteinen. Puffer-Hilfsstoffe und viele andere Prozesseigenschaften sind weitere Kandidaten für Raman-Messungen.
Zu den Herausforderungen der Skalierung auf dem Weg vom Labor zur Produktion gehören der Herstellungsprozess selbst und der Ansatz für Analyse und Qualitätsmessung. Raman-gestützte Lab-to-Process-Skalierbarkeit bietet deutliche Wettbewerbsvorteile, wenn sie auf jeder Stufe im Lebenszyklus eines biopharmazeutischen Produkts umgesetzt wird und dabei Qualitätsmetriken für den Technologietransfer generiert.
Die Zukunft der Raman-Technologie in der biopharmazeutischen Produktion
Herstellungsverfahren mit Single-Use-Technologie überholen mit großer Geschwindigkeit Hard-Pipe-Anlagen, und die Entwicklung der Raman-Technologie verläuft parallel zu diesem Trend. Single-use Raman-Sondenarmaturen machen die Sterilisation beim Endanwender überflüssig und beseitigen das damit verbundene Kontaminationsrisiko. Integrierte Raman-Sonden von mehreren Anbietern machen eine Cross-Scale- und eine Cross-Plattform-Raman-Analyse möglich.
Continuous Manufacturing ist ein weiterer disruptiver Trend in der biopharmazeutischen Produktion, aber die fehlende Inline-Überwachung zur Unterstützung der Steuerungsstrategien bedeutet hier problematische Einschränkungen. Raman-Analysatoren bieten eine Lösung in Form von verlässlichen Inline-Messungen, die einen Echtzeit-Einblick in die Prozesse für Feedback- und Feedforward-Steuerungsstrategien ermöglichen.
Bei der Entwicklung von Zell- und Gentherapien ist es ganz wesentlich, die Zeit von der Forschung und Entwicklung bis zur Behandlung von Patienten so kurz wie möglich zu halten. Die Raman-Spektroskopie kann eingesetzt werden, um spenderspezifisches Zellverhalten, Nährstoffaufnahme und Metabolitenproduktion in Echtzeit zu überwachen. Das erlaubt ein unmittelbares Feedback aus dem Prozess, schnelleres Wissen und die Fähigkeit, die Produktion schon im ersten Versuch richtig zu gestalten.
Ein wichtiger Wachstumsbereich für die Raman-Spektroskopie sind den Erwartungen nach auch Downstream-Anwendungen. Aktuelle Studien betonen die Vorteile der Technologie zur Messung der Konzentration, Struktur, Kristallisation und Aggregation von Proteinen. Puffer-Hilfsstoffe und viele andere Prozesseigenschaften sind weitere Kandidaten für Raman-Messungen.
Zu den Herausforderungen der Skalierung auf dem Weg vom Labor zur Produktion gehören der Herstellungsprozess selbst und der Ansatz für Analyse und Qualitätsmessung. Raman-gestützte Lab-to-Process-Skalierbarkeit bietet deutliche Wettbewerbsvorteile, wenn sie auf jeder Stufe im Lebenszyklus eines biopharmazeutischen Produkts umgesetzt wird und dabei Qualitätsmetriken für den Technologietransfer generiert.
