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Tieftemperaturbehälter für Proteinarzneimittel

Sensible Proteine im Kälteschlaf

| Autor/ Redakteur: Birgit Pittermann* / Anke Geipel-Kern

Für sensible Proteinarzneimittel ist Tieffrieren eine sehr schonende Art zu lagern. Bisher fehlten allerdings Behälter für Temperaturen tiefer 70° Grad. Jetzt haben Anlagenbauer Zeta und Boehringer Ingelheim gemeinsam einen Einfrierbehälter entwickelt, der eine hohe Prozesseffizienz ermöglicht.

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Der neue Behälter: Schafft bis -85 °C und ist deshalb für sensible Proteine besonders geeignet.
Der neue Behälter: Schafft bis -85 °C und ist deshalb für sensible Proteine besonders geeignet.
(Bild: www.derkrug.at,2017)

Die Lagerung hochwertiger biopharmazeutischer Arzneimittel stellt die Biopharmaindustrie vor große Herausforderungen. Zu sensibel reagieren Proteine auf Veränderungen des Milieus und der Umgebungsbedingungen.

Proteinstruktur erhalten

Die komplexe dreidimensionale Struktur eines Proteins wird durch schwache intramolekulare Wechselwirkungen zusammengehalten und ist daher besonders sensitiv. Die native Faltung der Proteinwirkstoffe ist essentiell für seine Wirksamkeit, denn nur wenn ein Protein korrekt gefaltet ist, werden die passenden Moleküle gebunden.

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Veränderungen in der Struktur haben fatale Auswirkungen, denn sie resultieren oft nicht nur in einem Wirkungsverlust, sondern können auch pathologische Wirkungen hervorrufen.

Der Prozess der Lagerung eines Proteinwirkstoffes muss somit sehr gut durchdacht und Einflussfaktoren bekannt sein, da die Lagerung oft über mehrere Jahre stattfinden soll.

Proteine lagern – Wie stabil ist die Struktur wirklich?

Eine in der Pharmaindustrie bewährte Methode zur stabilen Lagerung der Proteinlösungen ist der tiefgefrorene Zustand. Der Wirkstoff wird dabei in Einfrierkammern oder in kontrollierten Einfrierbehältern gekühlt bis das geforderte Temperaturniveau in der gesamten Bulklösung erreicht ist.

Die Praxis zeigt jedoch, dass auch im gefrorenen Zustand Umlagerungen und Struktureffekte der Proteine stattfinden und die native Struktur verändern. Schadhafte Veränderungen können dann beispielsweise eine vermehrte Ag­gregatbildung oder ein Ausflocken bewirken.

Das Einfrieren bei sehr tiefen Temperaturen ist eine Anforderung, die der Erhaltung der Produktqualität geschuldet ist. Eine Veränderung der Proteinstruktur soll durch das Unterschreiten der Glasübergangstemperatur verhindert werden.

Temperatur ist der entscheidende Faktor

Die Veränderung der Produktqualität und die verschiedenen Einfriereffekte hängen zum einen von gewählten Prozessparametern ab und werden zum anderen sehr stark von der Zusammensetzung der Proteinlösung beeinflusst. Allgemein gilt meist, dass Qualitätsveränderungen durch die erwähnten Effekte mit einem zusätzlichen Prozessschritt und Arzneimittelverlusten verbunden sind. In jedem Fall gilt es, den Produktverlust auf ein Minimum zu reduzieren. Die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung der Proteinlösung, Konzentration, pH Wert, Additiva, Kryoprotektoren oder Zusätzen und dem Verhalten der Qualität der Proteinlösung nach einem oder mehreren Einfrier- und Auftauzyklen bilden die Basis für ein erweitertes F&T Prozessverständnis.

Höhere Risikokontrolle – weniger Produktverlust

Während des Einfrierens wird die Proteinlösung durch Eiskristallbildung zunehmend konzentrierter. Die Hilfsstoffe, wie Puffersalze, fallen abhängig von ihrer Löslichkeit nach und nach aus. So kann beispielsweise der pH-Wert eines Natriumphosphat-Puffers während des Einfrierens von 7,0 auf unter 4,0 sinken. Auch die Ionenstärke kann extrem ansteigen. Die Eiskristallbildung führt außerdem zu einer Eis-Flüssigkeits-Grenzfläche, die Effekte auf die Proteinfaltung haben kann. Die Einflussgrößen und deren Auswirkungen differieren pro Wirkstoff stark und werden daher produktspezifisch mit dafür entwickeltem F&T Equipment im Labor genau untersucht. Ziel ist es, das Produktverhalten in einem Einfrier- und Auftauzyklus zu erfassen, um daraus ein optimales Prozessverständnis abzuleiten.

Hat man das grundsätzliche Verhalten der Proteinlösung beim Einfrieren verstanden, folgt eine Skalierung des im Labor entwickelten F&T Prozesses auf den Pilot Maßstab.

Der Einfrierprozess wird analysiert, noch weiter optimiert und exakt definiert. Der präzisierte Prozess dient als Basis für die industrielle Verarbeitung und ist somit ein wichtiger Baustein für die Entwicklung der optimalen Lagerung des Proteinwirkstoffes.

Pilotmaßstab liefert wichtige Informationen

Der Pilotmaßstab erlaubt verschiedene Analysemethoden und stellt einen wertvollen Intermediärmaßstab dar. Es gilt die für das Produkt geeignetsten Prozessparameter zu ermitteln und zu optimieren. Entgegen erster wirtschaftlich getriebener Annahmen muss das nicht notwendigerweise die Einfriergeschwindigkeit sein, denn eines ist für den F&T Prozess klar: Qualität geht vor Effizienz.

Wie bereits dargelegt, werden im Pilot Freeze jene Prozesse untersucht, die zuvor im Labor entwickelt wurden, um diese im größeren Maßstab für die industrielle Verarbeitung vorzubereiten. Die Praxis zeigt jedoch, dass der Pilot Freeze ebenso zur Überprüfung bestehender industrieller F&T Prozesse genutzt wird.

Im Zuge einer Optimierung oder einer retrospektiven Prozessvalidierung werden die Prozesse dort erneut geprüft, optimiert und in einem Technologietransfer in die industrielle Produktion zurückgeführt. Zusammengefasst kann also festgestellt werden, dass die Analyse im Pilot Freeze für die Prozessentwicklung neuer Proteinlösungen ebenso wichtig ist, wie zur Optimierung bestehender Prozesse.

Tieffrieren – die Garantie für optimale Produktqualität?

Erst bei Temperaturen tiefer als die Glasübergangstemperatur ist davon auszugehen, dass es keine Bewegungen und Strukturveränderungen im Gefüge der Proteine in Lösung mehr gibt. Daraus resultierend erwuchs für besonders sensible Produkte die Anforderung an ein Einfriersystem bei Temperaturen unter -70° C.

Sind Einfrierbehälter im industriellen Maßstab bis 500 l für einen industriellen Einfrierprozess im moderaten Temperaturbereich bereits bewährte Praxis, so musste die großtechnische Lösung für das Einfrieren hochsensibler und aktiver pharmazeutischer Proteine in einem Tieftemperaturbereich < -70° C erst neu entwickelt werden.

Fruchtbare Kooperation

Nach einer bereits langjährigen Zusammenarbeit zwischen Zeta und Boehringer Ingelheim im Bereich der Einfrierprozesse wurde in einem Kooperationsprojekt erstmalig ein 200 l Freeze Behälter für den Einfrierprozess bis -85° C entwickelt.

In einer Testreihe mit dem bewährten Zeta Pilot Freeze wurden Einfrier- und Auftauprozesse untersucht und dabei die Auswirkungen auf die Produktqualität in Form von Aggregation, Fragmentbildung, Trübung oder Partikelbildung analysiert. Bei der Auslegung der Behältergeometrie stand die Effizienz des Prozesses im Fokus.

Wichtige Stellschrauben dafür waren die Berücksichtigung der Produktdurchsätze, erzielbare Temperaturen, das geometrische Verhältnis im Tank und die erzielten Eisschichtdicken. Berechnungen für erzielbare Abkühl- und Auftauraten wurden durchgeführt und später experimentell verifiziert.

Hohe Anforderungen bei der Produktentwicklung

Bei der Entwicklung des neuen Behälters wurde das Zeta Ingenieur-Team stark gefordert, denn Einsatzmaterialien für die tiefen Temperaturen mussten gefunden werden, die einen stabilen und sicheren Einfrierprozess erlauben und einer langen Lagerzeit Stand halten würden. Ein weiteres wichtiges Kriterium für die richtige Materialauswahl war die Personensicherheit. Diese besondere Voraussetzung ist dem Produkt selbst geschuldet, das als hochaktive Arznei besondere Vorkehrungen im Arbeitnehmerschutz vorsieht.

Theoretische Berechnungen zu den Einfrierraten wurden in den Testreihen empirisch bestätigt. Diese Ergebnisse befähigten BI zur Entwicklung eines konkreten Berechnungsmodells, das zentrales Element einer von BI in Auftrag gegebenen wissenschaftlichen Publikation ist.

Gemeinsam mit den Einfriersystemen, die die unterschiedlichen Prozessvolumina bedienen, spannt Zeta die Freeze Services um den gesamten Entwicklungsprozess einer Einfriereinheit – von den Produktuntersuchungen bis hin zur Einfrieranlage im industriellen Maßstab. In professionellen Projektteams wird auf jedes Produkt beim aktuellen Entwicklungsstand abgeholt. Damit kann in einer Kooperation der gegenseitige Wissenszuwachs maximiert, die Produktqualität bestmöglich erhalten und die Prozess- und Anlagenrealisierungszeit optimal beschleunigt werden.

* * Die Autorin ist Head of R&D bei Zeta in Lieboch/Österreich. Kontakt: birgit.pittermann@zeta.com

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