Bioprozessentwicklung

Schnell transferiert oder detailliert studiert

Ob schneller Prozesstransfer oder detaillierte Prozesscharakterisierungsstudien – eine rasche und kostengünstige Bioprozessentwicklung ist in der Biopharmaproduktion geboten und kann von erfahrenen CDMOs individuell und am aktuellen Projektstatus orientiert umgesetzt werden.

(Bild: Rentschler)

In den letzten Jahren hat die Anzahl therapeutischer Proteine, wie z.B. monoklonale Antikörper und ihre Derivate, in den Entwicklungspipelines der Biotech- und Pharma-Unternehmen kontinuierlich zugenommen [1]. Um die Produkte möglichst schnell in die klinische Entwicklung zu bringen, ist eine rasche und kostengünstige Bioprozessentwicklung von großem Vorteil. Für viele Proteinformate können generalisierende Prozessplattformen verwendet werden, während andere jedoch maßgeschneiderte Prozesse erfordern. Voraussetzung für eine optimale Bioprozessentwicklung ist dabei ein zügiger und zuverlässiger Zeitplan, der eine individuelle Prozessentwicklung und erprobte Plattformtechnologien ausgleicht. Insbesondere „Contract Development and Manufacturing Organisations“ (CDMOs), wie Rentschler in Laupheim, sind herausgefordert, wenn sie konkurrenzfähige Prozesse für die verschiedenartigen Projekte ihrer Kunden entwickeln wollen. Nachfolgend wird daher beschrieben, wie Upstream-Prozess-(USP-)Entwicklung, Prozess-Scale-up, Prozessoptimierung und Prozessbestätigung für die GMP-Produktion bei Rentschler durchgeführt werden. Abhängig vom Entwicklungsstand eines Kundenprojektes können die USP-Entwicklungsleistungen ein breites Spektrum an Lösungen umfassen – angefangen beim schnellen Prozesstransfer bis hin zu detaillierten Prozesscharakterisierungsstudien.

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Schnelle Bioprozessentwicklung
Mit mehr als 40 Jahren Industrieerfahrung verfügt Rentschler über eine fundierte Expertise mit CHO-(Chinese Hamster Ovary-) Zelllinien und hat ein breites Spektrum von Kultivierungsstrategien einschließlich Medien- kompositionen und Fütterungsregimen für verschiedene Produktionsmaßstäbe etabliert. Um Zeitaufwand und Kosten der Bioprozess-entwicklung zu minimieren, werden Zellkulturverfahren kontinuierlich optimiert. So wurden z.B. verschiedene Standardmethoden implementiert, die jedoch noch genügend Raum für weitere Verbesserungen lassen. Diese Standard- oder generischen Methoden sind auf der Grundlage von Rentschlers Erfahrung und von eindeutigen Laborinstruktionen analog zu den SOPs (Standard Operation Procedures) in der GMP-Produktion definiert.

Viele Projekte in frühen klinischen Studien unterliegen kritischen Zeitvorgaben. Rentschlers Plattformtechniken ermöglichen die Entwicklung eines GMP-geeigneten Prozesses in weniger als einem Jahr. Der allgemeine Ablauf einer generischen Bioprozessentwicklung ist in Bild 1 dargestellt.

Bild 1: Standardisierte Bioprozessentwicklung. (Bild: Rentschler)

Üblicherweise beginnt die USP-Entwicklung mit dem Transfer der jeweiligen Zelllinie durch den Kunden oder durch in-house-Entwicklung. Dabei kann der Kunde unter anderem das TurboCell™-Expressionssystem von Rentschler nutzen, welches besonders robuste Wachstumscharakteristiken aufweist. Dieses CHO-K1-basierte System beruht auf gezielter chromosomaler Integration des GOI (Gene of Interest), womit die Zeit für die Klon-Selektion signifikant reduziert werden kann.

Rentschlers generische USP-Entwicklungsverfahren für Fed-Batch und Perfusionsprozesse gestatten eine nahtlose Implementierung von spezifischen Kundenanforderungen als Basis für ein schnelles Scale-up in den Produktionsmaßstab. Eine erste Evaluierung von Prozessparametern findet bereits vor der Prozessbestätigung statt. Detaillierte Charakterisierungsstudien oder Rohmaterialtests im Hinblick auf Performance oder CQAs (Critical Quality Attributes) folgen üblicherweise in späteren Projektphasen. Die schwarz gestrichelte Linie zeigt die reduzierte Zeitlinie für den Transfer eines bereits entwickelten Bioprozesses bei Rentschler.

Die meisten Biopharmazeutika werden durch ein robustes Fed-Batch-Verfahren mit einer mittleren Dauer von 12–14 Tagen hergestellt. Der generische Fed-Batch-Prozess bei Rentschler ist einfach und beruht auf einer leicht zu handhabenden Fütterungsstrategie ohne komplexe Berechnungen oder kritische Schritte. Auch eine kontinuierliche Kultivierung über mehrere Wochen ist möglich. Damit können in der GMP-Produktion Bioreaktor-Volumen-Austauschraten von bis zu 1500 l pro Tag realisiert werden. Zusätzlich können spezielle Biopharmazeutika wie z.B. Proteine mit toxischen Effekten durch die Anwendung von Perfusionsprozessen hergestellt werden. Dafür sind zwei verschiedene Zellretentionsverfahren etabliert: Zentrifugation und Mikrofiltration.

Bild 2: Beispiel für die Anwendung generischer Entwicklungsstrategien. (Bild: Rentschler)

Maßgeschneidertes Prozessdesign
Das Prozessdesign hängt primär vom bereits vorhandenen Wissen ab, z.B. davon, ob es bereits USP-Erfahrungen mit der Zelllinie gibt oder ob Daten von einem ähnlichen Produkt mit vergleichbaren Zelllinien und analogen Kultivierungskonditionen verfügbar sind. Zusätzlich dazu profitieren Kunden von Rentschlers umfangreicher Erfahrung mit denjenigen Proteinen, die schwieriger exprimiert werden und/ oder negative Auswirkungen auf die Physiologie der Wirtszelle haben.

In der frühen Phase der Prozessentwicklung helfen flexible Parametereinstellungen und spezifische experimentelle Studien bei einer schnellen Auswahl des Kultivierungstyps (Fed-Batch oder Perfusion, Single-Use- oder Edelstahl-Bioreaktoren, usw.). Dabei wird immer im Auge behalten, dass der Bioprozess unbeschränkt skalierbar sein muss. Die relevanten Prozessparameter werden dementsprechend definiert.

Die Prozessparameter werden im Allgemeinen in zwei Fed-Batch-Bestätigungsläufen bzw. einem Perfusionslauf mit Optimierung bestätigt. Wenn die experimentellen Daten zufriedenstellend und reproduzierbar sind, wird ein finaler Konsolidierungslauf durchgeführt, dem der Transfer in die Produktion unmittelbar folgt. Der erste Lauf im Produktionsmaßstab ist typischerweise ein Engineering-Lauf zur Kontrolle der Prozessparameter. Danach startet der erste Lauf unter GMP-Bedingungen. Um negative Scale-up-Effekte auszuschließen, wird zeitgleich zum GMP-Produktionslauf ein Satellitenlauf mit exakt den gleichen Nährmedien, Feeds und Additiven sowie den gleichen Präkulturen in der USP-Entwicklung durchgeführt.

Bild 2 zeigt Produktionstiter für eine typische Standard-Bioprozessentwicklung in- nerhalb von fünf Monaten von den ersten DoE-(Design of Experiments) basierten Kultivie- rungsexperimenten bis zum ersten GMP-Lauf. Zu beachten ist, dass diese Zeitspanne nur die reine Laborarbeit erfasst und die Dokumentation sowie regulatorische und Qualitätssicherungsaktivitäten nicht mit einschließt. Die ähnlichen Produktionstiter von Satelliten- (10 l) und GMP-Produktionsbioreaktoren (1000 l) zeigen die reproduzierbare Skalierbarkeit.

Prozesstransfer und Non-GMP-Produktion
Die Implementierung eines standardisierten Prozessdesigns ermöglicht den Transfer eines Kundenprozesses in die GMP-Produktion in weniger als vier Monaten. Wenn Daten aus den Vorarbeiten des Kunden zur Verfügung stehen, werden vorab nur ein sog. Feasibility-Lauf (optional) und ein Konsolidierungslauf durchgeführt, um den Transfer in den Produktionsmaßstab zu beschleunigen.

Abgesehen von der begleitenden Dokumentation und Qualitätskontrolle sind diese Entwicklungsschritte in acht Wochen abgeschlossen, wenn die CQAs des Produkts akzeptabel sind. Ungeachtet dessen können die Prozessparameter an jedem Punkt der USP-Entwicklung evaluiert werden, um die CQAs in Übereinstimmung mit den Kundenbedürfnissen zu verbessern oder anzupassen.

Prozesscharakterisierung und Prozessoptimierung
Ein Schlüsselmerkmal der USP-Entwicklung und Produktion bei Rentschler ist die kontinuierliche Analyse, Adaption und Optimierung eines jeden Bioprozesses. Um dieses Kriterium auf eine professionelle Weise umzusetzen, werden verschiedene QbD-(Quality by Design-)Werkzeuge für die Kontrolle von operativen und Performance-Parametern genutzt.

Um den strengen pharmazeutischen Regularien in Europa und in den Vereinigten Staaten gerecht zu werden, müssen bestimmte Bedingungen bei der Herstellung von Materialien für klinische Studien erfüllt sein. Generell werden die Produktionsbedingungen anspruchsvoller, wenn sich das Biopharmazeutikum bereits in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase befindet. Der späteste Startpunkt für Prozesscharakterisierungsstudien liegt in der Startphase der Produktion für die Phase-III-Studien. Eine detaillierte Risikoanalyse auf Basis der vorhandenen Erfahrung und der definierten CQAs hilft die kritischen Prozessparameter (CPPs) zu identifizieren. Diese Parameter werden experimentell durch OFAT-(One Factor at a Time-) oder DoE-Ansätze, PAR (Proven Acceptable Range) und Robustheitsstudien bestimmt. Die erhaltenen Resultate werden mittels statistischer Methoden wie der Multivariaten Datenanalyse evaluiert, um Detailwissen über den Bioprozess zu erhalten. Dabei ist das übergeordnete Ziel, den Prozess vor der Validierung im Produktionsmaßstab umfassend zu verstehen und zu kontrollieren.

Die Performance-Parameter bilden die Basis für die Bestimmung der operativen (Input) Parameter zur Absicherung von optimalem Zellwachstum und optimaler Proteinproduktion in Hinblick auf Qualität und Quantität. Insbesondere für die Produktion von Biosimilars sind Erkenntnisse über die Effekte jeder den Prozess beeinflussenden Parametervariation und ein möglichst umfassendes Wissen über die Wachstumsbedingungen von großer Bedeutung. Intensität und Quantität des experimentellen Aufwands für die Optimierung des Bioprozesses werden auf Basis der regulatorischen Guidelines und den Anforderungen des Kunden festgelegt.

Fazit
Einerseits umfasst die USP-Entwicklung von Rentschler verschiedene, gut etablierte Plattformtechnologien, die ein schnelles Scale-up und einen direkten Transfer zur Produktion unter GMP-Bedingungen erlauben. Andererseits kann aufgrund der langjährigen Erfahrung im Unternehmen eine große Bandbreite von individuellen Lösungen für die Implementierung von maßgeschneiderten Bioprozessen angeboten werden. Der Transfer von Kundenprozessen kann dabei flexibel gestaltet werden.

Für eine Prozesscharakterisierung und -optimierung werden die Prozessparameter in Abhängigkeit von der klinischen Phase, in der sich das Produkt befindet, durch diverse QbD-Strategien analysiert und optimiert. In enger Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren können die Prozesse effizient von der USP-Entwicklung zur GMP-Produktion transferiert werden.

Dr. Tina Lütke-Eversloh und Dr. Philipp von Zaluskowski
Rentschler Biopharma SE

[1] Biotech-Report Medizinische Biotechnologie in Deutschland 2017, vfa bio and BCG 2017, p. 13

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