Verlässliche Winzlinge

Hohe Ausbeuten aktiver Pharmawirkstoffe mit mikrobiellen Systemen

Biotechnologisch hergestellte Arzneimittel sind ein enorm wachsender Markt: Krebsmedikamente, Wachstumshormone oder auch Mittel gegen Multiple Sklerose können in Bakterienzellen gezielt hergestellt werden. Doch wie man Bakterien dazu bringt, möglichst viel Wirkstoff zuverlässig und kostengünstig zu produzieren, ist eine Wissenschaft für sich. Hocheffiziente Verfahren hat die Wacker Biotech GmbH, Auftragshersteller mit Sitzen in Jena und Halle, entwickelt.

Ein Mitarbeiter bei der Aufreinigung der gewünschten Wirkstoffproteine über Chromatographiesäulen. (Bild: Wacker Chemie AG)

Als 1982 das erste bakteriell produzierte humane Insulin auf den Markt kam, begann eine neue Ära – nicht nur für Zuckerkranke, sondern auch für die Pharmabranche. Komplexe Protein-Wirkstoffe für Medikamente ließen sich nun mit Hilfe von Mikroorganismen wie Bakterien oder Hefen herstellen. Mit diesen Pharmaproteinen, sogenannten Biologics, standen erstmals Präparate zur Verfügung, die bis dato aufgrund ihrer komplexen Struktur oder der hohen Kosten nicht durch chemische Synthese im industriellen Maßstab hergestellt werden konnten. Seitdem befinden sich Biologics auf einem rasanten Wachstumskurs: Sie sind heute der am schnellsten wachsende Markt für Therapeutika und machen bereits 20 % des gesamten Pharmamarkts aus. Experten schätzen, dass der globale Markt für Biopharmazeutika bis zum Jahr 2020 mit durchschnittlich 7 % wachsen und ein Volumen von rund 250 Mrd. US-Dollar erreichen wird.

Sicher hergestellte Proteine
Gerade bei pharmazeutischen Produkten kommen die Vorteile der Biotechnologie zum Einsatz: Früher wurden Proteinwirkstoffe wie das schon genannte Insulin aus Blut oder Gewebe von Tieren extrahiert – mit dem Risiko einer Kontamination mit Krankheitserregern (z.B. Viren oder Prionen). Ein zweiter Vorteil biotechnologischer Prozesse: Manche Wirkstoffe, z.B. Hormone, lassen sich durch Extraktion nur sehr schwer herstellen, da sie nur in winziger Menge im Blut oder in Gewebe vorkommen. Ein weiterer Nutzen liegt darin, dass der pharmakologische Effekt von Proteinen optimiert werden kann, indem man gezielt die Aminosäuresequenzen modifiziert.

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Mögliche Produzenten für Pharmaproteine sind Bakterien, Hefezellen oder Zellkulturen von Säugetieren. Bevorzugte Produzenten sind E. coli-Bakterien: Sie sind extrem gut erforscht, die Handhabung ist sicher, und die genetischen Eigenschaften sind bekannt. Wesentliche Vorteile von E. coli sind jedoch vor allem das schnelle Wachstum der Bakterien, ihre bescheidenen Nährstoffansprüche und ihre Fähigkeit, Proteine schnell und in großen Mengen (verglichen mit Säugetierzellen) zu produzieren. Dadurch sind exzellente Raum-Zeit-Ausbeuten möglich. Die Schwierigkeit liegt darin, die Bakterien zu einem verlässlichen und ökonomischen Produzenten größtmöglicher Mengen aktiver Wirkstoffe zu machen. Denn bei Überproduktion rekombinanter Produkte werden diese häufig nicht korrekt gefaltet und innerhalb der Zelle in Form von Aggregaten gelagert (inclusion bodies). Zur Rückgewinnung aktiver Proteine sind dann zahlreiche aufwändige und kostenintensive Rückfaltungs- und Aufreinigungsschritte notwendig.

Sekretionstechnologie zur Herstellung von Biologics
Um die Herstellung von Proteinen und Anti-körperfragmenten zu erleichtern, hat Wacker Biotech als Auftragshersteller (Contract Manufacturing Organisation) eine Sekretionstechnologie zur extrazellulären Produktion entwickelt. Die patentierte Technologie basiert auf einem E. coli-K12-Stamm, der die gewünschten Proteine während der Fermentation in korrekter Faltungskonformation ins Kulturmedium abgibt. Mit dem weiterentwickelten Esetec®-System der zweiten Generation lassen sich nun auch komplexe Moleküle wie Antikörperfragmente in hohen Ausbeuten herstellen und in aktiver Form ins Kulturmedium sezernieren.

Ein Best-Practice-Beispiel für die Leistungsfähigkeit des Systems ist die Zusammenarbeit mit MedImmune, der globalen Entwicklungs- und Forschungssparte für Biologics von AstraZeneca. Wacker konnte innerhalb weniger Wochen nach Vorliegen der Gene erfolgreich das gewünschte Antikörperfragment produzieren. Esetec 2.0 lieferte dabei herkömmlichen Techniken überlegene Ausbeuten korrekt gefalteter, voll funktionsfähiger Antikörperfragmente im Kulturmedium – und das mit deutlich schnelleren Entwicklungs- und Produktionszeiten im Vergleich zu industriell optimierten Prozessen für Säugetierzellkulturen (CHO-Zellen). Nach der erfolgreichen Machbarkeitsstudie hat MedImmune mittlerweile Esetec 2.0 zur Herstellung ihres Antikörperfragments lizenziert.

Proprietäre Rückfaltungstechnologie
Während sich lösliche Proteine und Antikörperfragmente mit Esetec® bereits hocheffizient herstellen lassen, bilden manche Proteinklassen innerhalb der Zelle die bereits erwähnten „Inclusion Bodies“. In diesen liegen die Zielmoleküle fehlerhaft oder unvollständig gefaltet vor. Für solche Fälle hat Wacker die Rückfaltungstechnologie Foldtec® entwickelt. Mit dem proprietären Verfahren können auch solche Proteine in hohen Ausbeuten bis zu 12 g/l produziert und nach der Zelleernte einfach und schnell in ihre native Konformation gebracht werden. Der patentierte E. coli-Stamm und ein eigens entwickeltes Plasmidsystem kommen hierbei ohne unerwünschte Zusätze oder Verunreinigungen aus: Während konventionelle Systeme üblicherweise auf Antibiotika und Phagenbestandteile in der Herstellung angewiesen sind, kann Foldtec® vollständig auf deren Einsatz verzichten, so dass die neue Technologie höchsten regulatorischen Anforderungen genügt.

Im Rahmen seines Foldtec-Baukastens bietet Wacker Biotech auch umfassende Erfahrung und Expertise in der Hochzelldichtefermentation und der Entwicklung industrieller Rückfaltungsprozesse. Auf diese Weise lassen sich extrem hohe Produkt- und Faltungsausbeuten von Proteinwirkstoffen erreichen, wie das Beispiel einer Machbarkeitsstudie zur Herstellung von Thrombin, einem Schlüsselenzym bei der Blutgerinnung, zeigt. Während mit herkömmlichen Verfahren nur sehr niedrige Ausbeuten erreicht wurden, konnte Wacker mit Foldtec die Rückfaltung gezielt optimieren und so die Produktivität um das 20-fache erhöhen.

Fazit
Ein Großteil der therapeutischen Proteine auf dem Markt werden heute noch von Säugetierzellkulturen produziert. Die Nutzung mikro-bieller Systeme gewinnt jedoch an Bedeutung, denn die Herstellung vielversprechender Wirkstoffe, wie z.B. Antikörperfragmente, aus Säugetierzellen ist wesentlich aufwändiger, zeit- und kostenintensiver. Für einen breiten therapeutischen Einsatz ist eine kostengünstige Herstellung jedoch wichtige Voraussetzung.

Dr. Ilona Koebsch
Business Development Manager
Wacker Biotech
www.wacker.com/biologics

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