Die Zukunft fest im Blick

Bioverfahrenstechnik

Biologika gewinnen in der Medizin zunehmend an Bedeutung. Mitentscheidend für den weiteren Erfolg der Riesenmoleküle sind jedoch optimierte Herstellprozesse. Diese sollten schnell, flexibel und kostengünstig sein. Das Konzept MoBiDiK ist dabei ein Wegbereiter

Dr. Andrea Vester entwickelt mit Partnern aus Industrie und Universitäten günstige und flexible Lösungen für die Herstellung von Biologika. Diese Verfahren ermöglichen Produktionen für kleine Patientengruppen

Der weinkistengroße Behälter erinnert verblüffend an ein schlagendes Herz. Umgeben von Überwachungsmonitoren, Schläuchen und Pumpen schwenkt er im Sekundentakt hin und her, lässt seinen flüssigen Inhalt nicht zur Ruhe kommen. Was dort im Gebäude E 41 des Chemparks Leverkusen so gleichmäßig schwingt, ist in der Tat ein Herzstück: Es ist der Kern eines innovativen Konzepts zur Herstellung von Biologika. 

Biologika? Dr. Andrea Vester, die nur wenige Schritte entfernt in ihrem Büro sitzt, strahlt. Den Begriff erklärt sie nur allzu gern: „Biologika sind große, sehr komplexe Moleküle, die sich nur biotechnologisch herstellen lassen.“ Als pharmazeutische Wirkstoffe werden sie derzeit immer wichtiger. Bestes Beispiel: Antikörper für die Krebstherapie.

Damit gewinnen auch effiziente Herstellverfahren für solche Riesenmoleküle an Bedeutung. Gemeinsam mit ihrem Team arbeitet Vester bei Bayer Technology Services derzeitdaran, die industrielle Produktion von Biologika zu optimieren – hin zu mehr Vielfalt und weniger Herstellkosten. Denn das ist der große Vorteil der innovativen Wirkstoffe: In Zukunft können viele Medikamente in kleinen Mengen für spezielle Therapien hergestellt werden – zum Wohl der Patienten, die so die bestmögliche Behandlung erhalten.

„Das neue Verfahren könnte für die Produktion von Anti-körpern deutliche Vorteile erzielen.”

Dr. Maria-Luisa Binda

Leiterin Innovation Management, Bayer HealthCare Product Supply

Doch anders als kleine Wirkstoffmoleküle lassen sich Biologika nicht mit klassischen chemischen Synthesen gewinnen: „Die Moleküle besitzen sehr komplexe Strukturen, zum Beispiel bestimmte Muster von Atomgruppen, die chemisch nicht herzustellen sind“, so Vester. Zum Glück gibt es Bakterien oder Zellkulturen, die die Produktion übernehmen können. Das ist möglich, weil Biologika in der Regel Proteine sind. Deren Baupläne lassen sich in Form von DNASchnipseln in das Erbgut natürlicher Produzenten einschleusen. Derart präparierte Zellen gelangen dann zusammen mit einer Nährlösung in eine Art Brutkasten – in sogenannte Fermenter. Wenn die Bedingungen stimmen, legen die Zellen dort mit der Produktion der gewünschten Biomoleküle los. Am Ende muss man das Produkt noch von der Nährlösung abtrennen und reinigen. 

Was einfach klingt, ist in der Praxis ein äußerst sensibler und wenig flexibler Prozess. So ist es etwa extrem aufwendig, die Produktion in einer Anlage auf eine neue Produktionskampagne oder einen anderen Wirkstoff umzustellen. „Alle Teile, die Kontakt zum vorherigen Produkt hatten, müssen penibel gereinigt werden“, erklärt Vester. „Dies erfolgt nach einem behördlich genehmigten Reinigungsprotokoll und gründlicher Prüfung. Neue Prozesse dürfen nicht ohne Validierung in Betrieb gehen. Diese stellt sicher, dass der Prozess und die eingesetzten Anlagen im praktischen Einsatz reproduzierbar zum gewünschten Produkt führen.“ Allein die Validierung könne bis zu einem Jahr dauern. Genau hier setzt die Arbeit von Andrea Vester und ihrem Team an. Das Konzept, an dem die Gruppe arbeitet und dessen Laborversion nun im Sekundentakt schwingt, heißt MoBiDiK. Die Abkürzung steht für „Modulare Bioproduktion – disposable und kontinuierlich“. Mit einem weißen Wal hat das Ganze also wenig zu tun. Trotzdem könnte es gewaltige Wellen schlagen – und die industrielle Fertigung von Biologika revolutionieren. „Einzelne Prozessschritte wie Synthese, Filtration oder Reinigung finden dabei in jeweils getrennten Modulen statt, und die haben wir als sterile Einwegsysteme aus Kunststoff konzipiert“, erklärt Vester. Modular (Mo) und disposable (Di, schnell austauschbar) eben. Der Vorteil: Am Ende eines Produktionsprozesses können alle Komponenten, die mit dem Produkt in Kontakt waren, einfach gegen neue Teile ausgetauscht werden. Aufwendiges Reinigen und auch die Validierung entfallen. „Eine solche Produktion spart Ressourcen, Zeit und Kosten“, so Vester. 

Die 37-Jährige ist sichtlich in ihrem Element. Prozesse zur Biologika-Produktion scheinen ihr ja auch wie auf den Leib geschnitten. Schließlich hat sie nach ihrem Aachener Maschinenbaustudium in München über biologische Verfahrenstechnik promoviert. Dass sie in ihrem jetzigen Team interdisziplinär mit anderen Ingenieuren sowie Chemikern und Mikrobiologen an Lösungen arbeiten kann, macht ihr besonders Spaß. 

Und noch etwas gefällt ihr: Die Verbindungen zur Hochschullandschaft sind auch fünf Jahre nach ihrer Promotion nicht abgerissen – MoBiDiK ist ein Projekt zusammen mit INVITE, der gemeinsamen Forschungsgesellschaft von Bayer Technology Services und Technischer Universität Dortmund, und weiteren universitären Einrichtungen. Zum 30-köpfigen Projektteam gehören dabei nicht nur Kollegen von Bayer, sondern unter anderem auch von den Hochschulen in Dortmund und Aachen. 

Derzeit werden Biologika im Batch-Prozess hergestellt. Die Produktion läuft in Fermentern ab, die über mehrere Stockwerke gehen und bis zu 30.000 Liter fassen können. Dabei entsteht das Produkt in einzelnen Chargen (batches). Sind in einer Charge genügend Produktmoleküle entstanden, werden sie isoliert, gefiltert und aufgereinigt. Die Produktion steht derweil still. Erst danach beginnt man mit der nächsten Charge wieder von vorn. Geht es nach Vester und ihrem Team, wird bald nicht mehr in Chargen, sondern kontinuierlich produziert. Während des Prozesses wird permanent Flüssigkeit aus dem Fermenter entnommen und daraus der Wirkstoff abgetrennt. Die zurückgehaltenen Produktionszellen fließen zusammen mit frischer Nährlösung zurück in den Bioreaktor. 

Die Aufgabe herkömmlicher Fermenter sollen bei den Wirkstoffmolekülen der nächsten Generation deutlich kleinere Einweg-Bioreaktoren übernehmen – mit zum Teil 200 Litern kaum größer als eine Badewanne. Die kleinen Fermenter stellen kontinuierlich Wirkstoff her und können dieselben Mengen liefern wie ihre großen Brüder. Derzeit wird das neue Konzept in Leverkusen eingehend geprüft. Die Tests werden auch bei Bayer HealthCare mit Spannung verfolgt. Schließlich nimmt die Zahl der Biologika in der Pharma-Produktpalette stetig zu. „Das neue Verfahren könnte für die Produktion von Antikörpern deutliche Vorteile erzielen“, betont Dr. Maria-Luisa Binda, Leiterin Innovation Management bei Bayer HealthCare Product Supply in Leverkusen. 

Während das neue Konzept gerade kritisch beäugt wird, hat Projektleiterin Vester bereits eine Weiterentwicklung im Sinn: kleine, automatisierte Produktionslinien, die zu geringen Kosten qualitativ hochwertige Produkte erzeugen, unabhängig von Produktionsmenge und -standort. MoBiDiK als Wegbereiter für die personalisierte Medizin? „Das ist sicherlich ein wichtiges Ziel“, sagt Andrea Vester. Und mehr noch: Patienten in aller Welt mit kostengünstigen, maßgeschneiderten Medikamenten versorgen zu können – diese Aufgabe gebe ihrem Beruf einen wirklichen Sinn.

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