Anwendungen von Bioreaktoren in zentralen biopharmazeutischen Modalitäten
Herstellung monoklonaler Antikörper: Milchproduktion aus CHO-Zellen in Edelstahl- und Einweg-Bioreaktoren
Die Massenproduktion monoklonaler Antikörper (mAbs) basiert auf Bioreaktoren, die Chinesische Hamster-Ovar-Zellen (CHO-Zellen) im industriellen Maßstab vermehren. Ein System aus Edelstahl ist in der Lage, den hohen Volumenanforderungen standzuhalten, während Einweg-Bioreaktoren die Konstruktion vereinfachen und die zeitaufwändigen Reinigungs- und Sterilisationsprozesse bei der Bioreaktornutzung vermeiden, wodurch die Geschwindigkeit der Chargenproduktion gesteigert und das Kontaminationsrisiko um bis zu 40 % gesenkt wird. Beide Verfahren bieten ein hochgradig reaktionsfähiges System zur Steuerung der Nährstoffzufuhr und Abfallkontrolle, das Zelldichten von über 20 Millionen Zellen/mL ermöglicht und gleichzeitig Qualität sowie konsistente Antikörperausbeuten gewährleistet. Bioreaktoren, die mehr als 80 % der aus CHO-Zellen stammenden therapeutischen Proteine in einem Chargen-zu-Chargen-System produzieren, stellen kritische Qualitätsmerkmale (CQA) sicher und gewährleisten die Konsistenz der hergestellten therapeutischen Proteine.
Herstellung von Impfstoffen und zellulären Therapeutika: Skalierung viraler Vektoren und autologe/allogene Bioproduktion
Bioreaktoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung der für die Entwicklung von Impfstoffen erforderlichen viralen Vektoren und unterstützen die Produktion von Adenoviren und Lentiviren mit Titerwerten über 10⁹ Viruspartikel pro Milliliter. Darüber hinaus ermöglichen Bioreaktoren zelluläre Therapien, indem sie ein Medium bereitstellen, um sowohl autologe, vom Patienten stammende T-Zellen als auch allogene „Off-the-Shelf“-Zelllinien zu kultivieren und zu vermehren, wobei Stabilität des Phänotyps und des Zellzustands gewährleistet bleibt. Bei der Prozessentwicklung und Herstellung herkömmlicher CAR-T-Zelllinien erzielen die Bioreaktorsysteme Einzelchargen mit einem Wert von über 500.000 US-Dollar; gleichzeitig minimiert das geschlossene System mit Perfusionsteuerungssystemen das Risiko einer Kreuzkontamination, gewährleistet die Kontrolle der Perfusion und unterstützt problemlos die Erweiterung des Skalierungsbereichs von 2 L bis 2.000 L, wobei die Sterilitätsanforderungen der FDA und der cGMP300 eingehalten werden.
Einziehbare Bedienelemente und Echtzeit-Bioreaktor-Management
pH-Wert, Temperatur, gelöster Sauerstoff und Rührung: Die Rolle jedes Parameters bei der zellulären Proliferation und der Produktausbeute
Die Funktionsweise von Bioreaktoren lässt sich anhand vier unterschiedlicher Parameter bewerten, nämlich pH-Wert, Temperatur, gelöster Sauerstoff (DO) und Rührung. Jeder dieser Parameter weist eng definierte Bereiche auf. Abweichungen der Temperatur um mehr als ±0,5 °C vom Zielwert von 37 °C können das Zellwachstum um bis zu 50 % stark reduzieren und zellulären Stress verursachen. pH-Verschiebungen außerhalb des optimalen Bereichs von 7,2–7,4 können aufgrund metabolischer Veränderungen zu einem Verlust der Zellviabilität von über 30 % führen. Der DO-Wert muss zwischen 30 % und 60 % Sättigung gehalten werden. Wird dieser Bereich nicht eingehalten, entsteht eine schwer kontrollierbare Hypoxie, die den aeroben Stoffwechsel beeinträchtigen kann; ein zu hoher DO-Wert hingegen kann oxidativen Stress und einen Zellverlust von etwa 25 % zur Folge haben. Die Rührung dient der Gewährleistung einer gleichmäßigen Durchmischung im Bioreaktor; ein zu starker Rührbetrieb kann jedoch zu übermäßigem Scherstress und zur Schädigung empfindlicher Zelllinien führen. Alle vier Parameter beeinflussen unmittelbar die Qualität therapeutischer monoklonaler Antikörper sowie deren Glykosylierungsmuster und Aggregatbildung. Um die Einhaltung der Anforderungen an kritische Qualitätsmerkmale (Critical Quality Attributes, CQA) sicherzustellen, ist ein äußerst präziser Parameterkontrollgrad erforderlich.
Sicherstellung der Konsistenz und Einhaltung der FDA-CMC-Richtlinien
Bioreaktoren müssen moderne Regelungssysteme einsetzen, um die vier Parameter Temperatur, pH-Wert, gelöster Sauerstoff (DO) und Rührung mit vorgegebenen Regelgrenzen innerhalb eines festgelegten Bereichs zu integrieren. Dieser Regelungstyp gewährleistet eine geschlossene Regelung für:
CO₂-Einblasung zur pH-Regelung
Wärmeaustauscher zur Temperaturregelung
Gasgemischbildung zur DO-Regelung
Einstellbare Rührung
Der Einsatz einer geschlossenen Regelung gewährleistet eine Konsistenz der Chargen-Bioreaktorsysteme mit einer Variabilität von weniger als 5 % und stärkt damit den von der FDA festgelegten Standard für CMC (Chemistry, Manufacturing and Controls). Integrierte Regelungssysteme in Bioreaktoren ermöglichen den Einsatz von Datenerfassungssystemen, die für die Regulierung in der Bioproduktion entscheidend sind und dem Regelungssystem eine prädiktive Qualität verleihen. Regelungssysteme werden durch metabolische Regelungssignaturen gestärkt, wodurch Verluste aufgrund von Abweichungen in nach GMP (Good Manufacturing Practice) zertifizierten Produktionssystemen um 40 % reduziert werden.
Auswahl der Technologie und Sterilität in skalierbaren Bioreaktorsystemen
Systeme, die mit SIP/CIP-Technologien aufgebaut sind, sowie unterstützende/geschlossene Verfahren zur Minimierung von Kontaminationen
Die Herstellergarantie für ein steriles Produkt beginnt mit der Gewährleistung der Sterilität. SIP- und CIP-Systeme können zwar Edelstahl-Bioreaktoren dekontaminieren, sind jedoch äußerst ressourcenintensiv und bieten Raum für zahlreiche Fehler. In einer jüngsten Mitteilung der FDA (2023) werden Kontaminationen und Rückrufe aufgrund von Kontaminationen in der Biopharma-Industrie als Hauptgrund für die Rückrufe von Biologika genannt. In der Biopharma-Industrie hat das Paradigma des „Einweg-Bioreaktors“ in der biotechnologischen Verarbeitung – das auf flexiblen, vosterilisierten und wegwerfbaren Säcken beruht – SIP- und CIP-Prozesse überflüssig gemacht und gleichzeitig die Durchlaufzeiten verkürzt sowie das Risiko einer Kreuzkontamination um bis zu 40 % gesenkt. Wird dieses Konzept mit unterstützender/geschlossener Verarbeitung kombiniert, bei der die Flüssigkeitswege vom Zeitpunkt der Inokulation bis zum Zeitpunkt der Ernte hermetisch abgedichtet sind, entsteht eine robuste und sichere Barriere gegen Kontaminationen, wie sie in der Branche ihresgleichen sucht. Führende Hersteller in der Biopharma-Industrie berichten von einer Reduktion der Chargenfehler um 90 % durch die Einführung integrierter, geschlossener Einwegsysteme.
Schlüsselherausforderungen beim Hochskalieren biochemischer Reaktorprozesse von 2-L-Laborgröße auf 20.000-L-GMP-Produktion
Die Herausforderungen beim Hochskalieren von Bioreaktorbetrieben sind eine Mischung aus biologischen und technischen Problemen, wobei drei Aspekte im Vordergrund stehen:
1. Zellschäden durch Scherbelastung: Bei größerem Flüssigkeitsvolumen und damit größerem Gefäß werden die Scherkräfte in der Mischung stärker ausgeprägt. Dies kann empfindliche, auf Scherbelastung reagierende Zellen schädigen.
2. Gasübertragung: Ohne den Einsatz optimierter Begasungs- oder Massentransfertechnologien kann Sauerstoff nicht in Bioreaktoren mit einem Volumen über 1.000 L in ausreichendem Maße eindiffundieren.
3. Technische Prozessparameter: Im Verlauf der Verarbeitung entstehen innerhalb des Bioreaktorgefäßes pH-, Temperatur- und andere Gradienten. Diese Parameter sind inkonsistent und ungleichmäßig verteilt.
Erfüllung der FDA-CMC-Anforderungen für kommerzielle Skalen: Je größer die Produktionsstufe, desto schwieriger wird es, die Validierungsanforderungen zu erfüllen.
Der erfolgreiche Scale-up-Prozess erfordert ein tiefes Verständnis sowohl der Parameter als auch – und dies ist am wichtigsten – des dynamischen Verhaltens des Prozesses und nicht lediglich ein Verständnis der Sollwerte. Der Einsatz von Perfusions-Bioreaktoren ermöglicht es, ein konstantes Zellkulturmedium aufrechtzuerhalten, das die für die Zellen notwendigen Nährstoffe enthält sowie die Entfernung der von den Zellen produzierten Stoffwechselabfälle ermöglicht. Der Einsatz hochpräziser Sensorsysteme ermöglicht es dem Prozess, in Echtzeit und autonom erforderliche Anpassungen vorzunehmen, um die notwendigen Parameter zu steuern.
In einer Studie des Ponemon Institute aus dem Jahr 2023 wurde berichtet, dass ein einzelner gescheiterter Scale-up-Prozess im Durchschnitt Kosten in Höhe von 740.000 US-Dollar für den Hersteller verursacht.
Die andere große Herausforderung beim Hochskalieren von Bioreaktorbetrieben besteht darin, dass modulare Einwegsysteme eine materielle Beschränkung der meisten Bioreaktorsysteme auf ein Volumen von 2.000 L aufweisen. Für ultragroßtechnische Bioreaktorbetriebe (mit einer Volumenkapazität von mehr als 15.000 L) sind nach wie vor die Edelstahlsysteme führend, unbeschadet ihrer Einschränkungen und der Belastung durch die Validierungsanforderungen für die Dampfsterilisation.
Kurz gesagt:
Welche Vorteile bieten Einweg-Bioreaktoren im Vergleich zu Edelstahl-Bioreaktoren?
Einweg-Bioreaktoren vereinfachen den Wechsel zwischen Produktionsläufen, minimieren Kontaminationsrisiken und eliminieren die Notwendigkeit für Reinigung und Sterilisation – wodurch die Zeit für den Wechsel um bis zu 40 % verkürzt wird.
Welche kritischen Prozessparameter eines Bioreaktors beeinflussen Bioreaktoren?
Für die Qualität des Produkts sowie für die Zellwachstumsraten und die Gesamtausbeute sind pH-Wert, Temperatur, gelöster Sauerstoff und Rührung allesamt kritische Prozessparameter. Eine präzise Steuerung all dieser Parameter ist in der Herstellung erforderlich, beispielsweise zur Sicherstellung der Qualitätsmerkmale monoklonaler Antikörper.
Welche Bedeutung haben Einweg-Bioreaktorsysteme?
Einweg-Bioreaktorsysteme zusammen mit geschlossenen Verarbeitungssystemen bieten die höchste Form der Sterilisationskontrolle, was den entscheidendsten Aspekt von Bioreaktoren zur Vermeidung von Kontamination darstellt. Kontamination ist die Hauptursache für Bioreaktor-Ausfälle und führt letztlich zu regulatorischen Nichteinhaltungen, die Rückrufe zur Folge haben.