gesponsertMonoklonale Antikörper für therapeutische Anwendungen Maßgeschneiderte Systeme für die mAb-Produktion

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ZETA GmbH

Von Abciximab bis Zolbetuximab – die Liste der therapeutischen monoklonalen Antikörper (mAbs) wächst stetig. Damit wächst auch der Bedarf an zuverlässigen, skalierbaren Produktionssystemen. Experten zeigen, wie sie dafür maßgeschneiderte Lösungen entwickeln.

Seit der Markteinführung des ersten therapeutischen monoklonalen Antikörperprodukts im Jahr 1986 ist die Entwicklung dieser Klasse von Biopharmazeutika erheblich vorangeschritten. Heute machen monoklonale Antikörper einen großen Teil der gesamten biopharmazeutischen Produktion und mehr als 20 % aller von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen therapeutischen Wirkstoffe aus. Im Jahr 2022 erhielten 13 Antikörpertherapeutika die Erstzulassung in den USA oder der EU. Auf dem globalen Markt für Biosimilars stellen mAbs den umfangreichsten Produkttyp dar.

Was sind monoklonale Antikörper?

Antikörper sind komplexe Proteine, die von Natur aus in unserem Blut vorkommen. Als Bestandteil des Immunsystems helfen sie bei der Bekämpfung von Infektionen. Therapeutische monoklonale Antikörper werden mit Hilfe der Biotechnologie herstellt und ahmen die natürlichen Antikörper nach. „Monoklonal“ bedeutet, dass es sich um einen einzigen Typ handelt, der aus einer einzigen Ursprungszelle geklont wurde. Sie sind so konstruiert, dass sie nur an ein einziges fremdes Antigen binden - ein spezifisches Protein auf der Oberfläche einer Zelle. Wenn der mAb diese Zellen erkennt und findet, wird das Immunsystem dazu angeregt, sie anzugreifen.

Das breite Feld der Anwendungen monoklonaler Antikörper

Mit monoklonalen Antikörpern erhält das Immunsystem eine mächtige Waffe gegen viele Krankheiten, sowohl bei onkologischen als auch bei nicht-onkologischen Indikationen. Zur Behandlung von Krebs stehen eine ganze Reihe verschiedener mAbs zur Verfügung, weitere befinden sich in der klinischen Prüfung. Diese mAbs wirken auf unterschiedliche Weise: indem sie dem Immunsystem helfen, Krebszellen zu finden und abzutöten, indem sie Signale blockieren, die Krebszellen zur Teilung anregen, oder indem sie Krebsmedikamente oder radioaktive Substanzen zu den Krebszellen transportieren.

Zu den nicht-onkologischen Indikationen für die Behandlung mit mAbs gehören Autoimmunkrankheiten, z. B. rheumatoide Arthritis oder Morbus Crohn. Die Fähigkeit der Antikörper, Immunreaktionen zu unterdrücken, wird auch genutzt, um zu verhindern, dass transplantierte Organe vom Immunsystem des Empfängers abgestoßen werden. Darüber hinaus gehören mAbs zu den am meisten untersuchten Targets für potenzielle Therapeutika zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit.

Die Herstellung monoklonaler Antikörper

Zur Herstellung monoklonaler Antikörper wird normalerweise ein gentechnisch veränderter Organismus in einem Bioreaktorsystem kultiviert, und zwar zur Expression des Zielproteins. Häufig werden Zellkulturen von Säugetieren verwendet, wie z. B. Ovarialzellen des chinesischen Hamsters (CHO-Zellen). Das Upstream-Processing für die industrielle Produktion von mAbs und anderen komplexen therapeutischen Proteinen erfolgt in der Regel in einem so genannten Seed-Train: Die Zellen durchlaufen mehrere Bioreaktoren, die sich mit jedem Schritt vergrößern. Auf diese Weise werden genügend Zellen erzeugt, um große Produktionsbioreaktoren von 10.000 Litern oder mehr zu beimpfen.

Die CHO-Zelle ist ein gentechnisch veränderter lebender Organismus. Ihre Vermehrung und letztlich die Qualität und Ausbeute des Endprodukts hängen von den Wachstumsbedingungen im Bioreaktorsystem ab. Ein umfassendes Verständnis der Auswirkungen der Umweltbedingungen (Nährstoffversorgung, pH-Wert, Temperatur, mechanische Schädigung der Zellen) auf das Zellwachstum und die Produktbildung ist für eine effiziente Upstream-Produktion unerlässlich. Auf die Zellkultivierung folgen dann mehrere nachgeschaltete Reinigungsschritte, darunter Filtration und Chromatographie.

Expertise für maßgeschneiderte mAb-Produktion

Zeta vereint umfangreiche Kompetenzen im Bereich der biotechnologischen Produktion. Das Unternehmen fokussiert sich u. a. auf das Design, die Charakterisierung und die Optimierung von Bioreaktoren und treibt die Innovation in diesen Bereichen durch Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten voran. Dies gilt auch für die Entwicklung

im Bereich der Rührwerkstechnologie. Effiziente und schonende Rührvorgänge unter Wahrung aseptischer Bedingungen sind für den Prozess im Bioreaktor unerlässlich.

In zahlreichen erfolgreichen Projekten hat das Unternehmen gemeinsam mit den Anwendern fortschrittliche Lösungen für die Kultivierung von Mikroorganismen, Hefe- und Zellkulturen entwickelt. Diese Upstream-Produktionssysteme laufen je nach Kundenwunsch im Batch-, Fed-Batch- oder Perfusionsmodus. Darüber hinaus liefert Zeta maßgeschneiderte Downstream-Processing-Systeme für die Aufbereitung, Anreicherung, Reinigung und Formulierung von biotechnologisch hergestellten Produkten. Dazu gehören Systeme für die Tiefenfiltration, Ultrafiltration, Diafiltration und Nanofiltration.

Best Practice: Front-to-End-Verantwortung für den mAb-Produktionsprozess

Ein internationales biopharmazeutisches Unternehmen hatte sich Anfang 2019 das ehrgeizige Ziel gesetzt, eine Produktionsanlage zur Herstellung verschiedener monoklonaler Antikörper durch CHO-Zellkulturen aufzubauen. Einige Produkte befanden sich zu diesem Zeitpunkt in der Entwicklung, andere sollten zu einem späteren Zeitpunkt entwickelt werden. Ein hochflexibles Multiproduktsystem war erforderlich, um mit den Veränderungen Schritt zu halten. Zeta erhielt den Zuschlag für dieses groß angelegte Implementierungsvorhaben. Der Auftrag umfasste das Engineering, den Bau, die Installation und die Qualifizierung der gesamten Anlage.

Der Upstream-Prozess im Bioreaktor läuft in einem für Zellkulturen typischen Seed-Train ab. Um die Rüstzeit des Produktionsbioreaktors zu optimieren, lieferte Zeta drei autonome Einheiten, die jeweils aus einem 10.000 l Bioreaktor und einem Feedbehälter bestehen. Auf diese Weise können die Vorbereitung, der Fed-Batch-Bioprozess und die anschließende Reinigung (CIP) jeweils parallel laufen. Die Bioreaktoren sind zudem für den Perfusionsbetrieb zur Herstellung zukünftiger Produkte ausgelegt.

Dieser hohe Grad an Flexibilität zieht sich durch die gesamte Konzeption und ist wichtig im Hinblick auf zukünftige, noch nicht definierte Produkte. Zudem können die Upstream- und Downstream-Bereiche in Größe und Umfang verdoppelt werden. Der Downstream-Prozess besteht aus mehreren verschiedenen Reinigungsschritten: von der Filtration über die Abtrennung fester Zellbestandteile, die Chromatographie, die Virusinaktivierung und die Virusfiltration bis hin zur Ultrafiltration und Diafiltration. Zeta meisterte die Herausforderungen, die sich aus dem großen Umfang des Projekts und der hohen Komplexität der verschiedenen technischen Spezifikationen ergaben, und lieferte Skids für sieben Downstream-Prozessschritte.

Nicht zuletzt hat auch die effiziente Digitalisierungsstrategie Zetas zum Erfolg des Fast-Track-Projekts beigetragen. Alle beteiligten Teams können mit einer gemeinsamen Tool-Landschaft auf Basis der Siemens-Software Comos standortunabhängig Daten erfassen, verwalten und nutzen. Durch das integrierte digitale Engineering entstand ein umfassender digitaler Zwilling der Anlage und des Prozesses. Die generierten Inhalte können nun über den gesamten Lebenszyklus hinweg in der Praxis nutzbar gemacht werden.

Best Practice: Höchste Sicherheit bei der Downstream-Verarbeitung von Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten

In der rekordverdächtigen Zeit von nur 18 Monaten lieferte Zeta ein Downstream-System für die Produktion von Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten (ADCs) an einen Kunden in der Schweiz.

ADCs sind als gezielte Therapie für die Behandlung von Krebserkrankungen konzipiert. Diese komplexen Moleküle bestehen aus einem monoklonalen Antikörper in Verbindung mit einem Zytotoxin. Während der Antikörper spezifisch auf die Krebszellen abzielt und das Zytotoxin diese abtötet, werden gesunde Zellen bei diesem Prozess verschont. An die Herstellung von ADCs werden höchste verfahrenstechnische Anforderungen gestellt - vor allem im Hinblick auf den kritischen Konjugationsschritt zwischen Antikörper und Toxin.

Die Anlage umfasst zwei Produktionslinien, Platz für eine weitere Linie, ein gemeinsames Puffervorbereitungs- und Lagersystem, einen gemeinsamen Gefrier- und Auftaubereich sowie alle erforderlichen Hilfsfunktionen. Aufgrund der besonderen Sicherheitsvorkehrungen, die für den Umgang mit dem toxischen Inhaltsstoff erforderlich sind, ist die Anlage in unabhängige Betriebseinheiten unterteilt. Sorgfältig durchdachte und hochgradig maßgeschneiderte Lösungen ermöglichen Downstream Processing auf höchstem Niveau.

"Das Projekt ist ein perfektes Beispiel dafür, wie ein Prefabrication- und Skid-Konzept auch für komplexe monoklonale Antikörper- und Cytotoxin-Downstream-Prozesse umgesetzt werden kann", berichtet Matthias Goriupp, Projektverantwortlicher bei Zeta.

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