FDA-cGMP-Aspekte: Sterilitätssicherung und Gerätequalifizierung für Bioreaktoren zur Zellkultur
Prozesskontrollen und Risikomanagement: Sterilisation, Dichtheitsprüfung und bioreaktorspezifische Qualifizierung
Um innerhalb des Rahmens der FDA-cGMP-Richtlinien zu bleiben, müssen pharmazeutische Unternehmen Validierungsprotokolle besitzen, die spezifisch auf die jeweiligen Zellkultur-Bioreaktorsysteme des Unternehmens zugeschnitten sind. Unter Verwendung der Validierungsrichtlinien für die Bioburden-Testung mit Sporen von Geobacillus stearothermophilus als Validierungsorganismen und/oder -indikatoren gemäß USP <1229> oder anderen ISO-14937-Richtlinien muss ein Dampf-in-place-(SIP)-Zyklus eine Sterilitätsversagenswahrscheinlichkeit (SAL) von höchstens erreichen; zudem ist eine maximale Druckabfallrate nach der Sterilisation festzulegen, um die Integrität des Bioreaktorgefäßes zu validieren – denn bereits eine einzige Undichtigkeit mit einer Größe von 0,5 Mikrometern, was der durchschnittlichen Undichtigkeitsrate entspricht, könnte die Ursache eines Vorfalls sein, und die durchschnittlichen Kosten für die Branche zur Behebung jedes solchen Undichtigkeitsvorfalls belaufen sich auf rund 740.000 US-Dollar (Ponemon Institute, 2023).
Die bioreaktorspezifische Qualifizierung umfasst die Abnahmeprüfung in der Fabrik (FAT) sowie drei weitere, voneinander abweichende Phasen:
1. Installationsqualifizierung (IQ) – Inspektion der vorhandenen Systeme einschließlich nachvollziehbarer Komponenten.
2. Betriebsqualifizierung (OQ) – Leistungsprüfung, beispielsweise Temperaturregelung innerhalb einer Toleranz von ±0,5 °C.
3. Leistungsqualifizierung (PQ) – Bewertung zur Bestätigung einer reproduzierbaren Leistung unter den Einsatzbedingungen des Bioreaktors.
Menschliche Eingriffe bei Bioreaktorbetrieben – vor allem durch Probenahmen und Materialtransfers – sind für 78 % der in dem PDA-Technischen Bericht 68 (2022) dokumentierten Kontaminationen von Bioreaktoren verantwortlich. Die Verwendung verschiedener validierter aseptischer Verbindungen, die Manipulationen an offenen Systemen ermöglichen – wie sterile Schweißgeräte und schnelle Transferanschlüsse (RTPs) – führt zu einer um eine Größenordnung erhöhten Anzahl an Manipulationen im Rahmen von Bioreaktoreingriffen. Durch den Einsatz automatisierter Probenahmesysteme sowie die Aufrechterhaltung der Probesterilität mittels dampfsterilisierbarer Systeme und Leitungen, Inline-Filtern zur Entfernung von Probenkontaminationen und Echtzeit-Probenahme zur umfassenden Rückverfolgbarkeit und Protokollierung lässt sich das Kontaminationsrisiko im Vergleich zur manuellen Probenahme um bis zu 90 % senken.
Bei Probenahme-Eingriffen – insbesondere bei häufigen Probenahme-Eingriffen während der Phase maximaler Zelldichte – ist eine Prozessvalidierung erforderlich, und es muss ein robuster Entwurf konzipiert, implementiert und über den gesamten Produktionslebenszyklus hinweg aufrechterhalten werden.
Zellkultur-Bioreaktoren stellen ein zentrales Element des Bioreaktor-Rahmenkonzepts dar. Der überarbeitete EU-GMP-Anhang 1 aus dem Jahr 2022 zu Kontaminationskontrollstrategien (CCS) schlägt ein Bioreaktor-Rahmenkonzept vor, das die Gestaltung nach einem wissenschaftlichen und risikobasierten Ansatz zur Kontaminationskontrolle strukturiert. Bioreaktoren unterliegen umfassenden Vorgaben im gesamten Rahmenkonzept – sowohl hinsichtlich der Konstruktion als auch der Ergebnisse – einschließlich mehrfacher robuster Validierungen, wie folgt:
Die Integritätsprüfung von Filtern gemäß ASTM F838-22 am Filtrationssystem eines Bioreaktors sowie dessen Fähigkeit, einen 0,2-µm-Filter zurückzuhalten, bleibt im Bereich der zyklischen Produktion angesiedelt und ist zwingend vorgeschrieben.
Die dynamische Durchflussverifizierung nutzt Tracer-Analysen und CFD-Modellierung, um zu bestimmen, ob Misch- und Spülsysteme das Medium ausreichend homogen halten, ohne dass sich Partikel bilden oder toten Winkel entstehen, in denen sich Biofilme bilden können.
Dieser integrierte Ansatz verlagert den Fokus der Compliance weg von retrospektiven Umweltbewertungen hin zu Echtzeit-Risikosteuerungen, die sich auf die jeweilige Ausrüstung stützen. Moderne Einweg-Bioreaktoren verfügen beispielsweise über integrierte Druckaufnehmer und automatisierte Protokollierungsfunktionen, um eine kontinuierliche Gewährleistung zu unterstützen, sowie um ein um 40 % geringeres Risiko im Zusammenhang mit manuellen Eingriffen bei offenen aseptischen Prozessen (EU-GMP-Anhang 1, 2022). Die Gestaltungselemente – wie z. B. Probenahmeanschlüsse in geschlossenen Systemen, fluidführende Wege ohne Verbindungsstellen und Kontaminationskontrollsysteme – sollten darauf ausgerichtet sein, das beschriebene Ziel zu erreichen: die Verhinderung einer Kontamination durch luftgetragene Schadstoffe während der Ernte.
Anhang 1 betont, dass die Reinraum-Bioreaktorüberwachung angesichts der bioreaktorspezifischen Risiken – darunter Biofilmbildung auf den benetzten Oberflächen und Auslaugungen aus dem Polymerliner – unzureichend ist. Daher ist es erforderlich, unter der Annahme der ungünstigsten Nutzungsszenarien zu arbeiten, die eine kontinuierliche Rührung, Temperaturschwankungen sowie Ruhephasen umfassen, um die Steuerungssysteme hinsichtlich ihrer analytischen Robustheit zu validieren.
Einbeziehung von Zellkultur-Bioreaktorbetrieben in die Anforderungen der ISO 14644-1 und der EU-GMP-Klasse C/D
Betriebliche Grenzen für Zellkultur-Bioreaktoren im Rahmen der aseptischen Verarbeitung
Zellkultur-Bioreaktoren können sicher für Bioreaktorbetriebe der ISO-Klasse 7 (EU-GMP-Klasse C) konfiguriert werden, insbesondere bei der Verarbeitung vollständig geschlossener Systeme, bei denen während des Betriebs, der Probenahme oder der Transferprozesse keinerlei Exposition gegenüber der Umgebungsluft erfolgt.
• Herstellung von Medien- und Pufferlösungen (inline-/endständige sterile Aufbereitung), Montage und
• SIP (Sterilisation in Place) vosterilisierter und versiegelter Bioreaktorsysteme
Handhabung geschlossener sterilisierter Einheiten (Geräte) vor der Desinfektion.
Für geschlossene Systeme müssen zahlreiche betriebliche Grenzwerte eingehalten werden: Dazu zählen ≤ 352.000 Partikel/m³, ≥ 0,5 µm/m³, Latenzzeit, §175 sowie die mikrobiologischen Grenzwerte gemäß EU-GMP-Anhang 1 (2022) von ≤ 100 KBE/m³ (Luft) und (≤ 50 KBE) Abstrichplatte (Oberflächen) sowie die Latenzzeit (im Ruhezustand). Vollständige und einseitige Trennung der Systeme.
Der Betrieb der Bioreaktorsysteme muss durch die Hersteller als geschlossen bestätigt sein sowie durch „Integritäts- und Filterabbau-Tests“ nachgewiesen werden.
Globale Harmonisierung und auditfertige Dokumentation für Zellkultur-Bioreaktoren
Am wenigsten Zeit, Geld und Ressourcen sind erforderlich, wenn ein globales Harmonisierungssystem wie ICH Q10 für die Validierung, das Änderungsmanagement und die Dokumentationsanforderungen bei Bioreaktorbetrieben implementiert wird. In der pharmazeutischen Industrie vereinfachen globale Harmonisierungssysteme die Verfahren der FDA, der EU sowie länderspezifischer Regelungen. Das Fehlen erforderlicher Tests verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung um bis zu 40 % und erleichtert den Technologietransfer über zahlreiche Regionen hinweg, wie in ICH-konformen Rahmenwerken und im ISPE-Good-Practice-Leitfaden 2023 dokumentiert.
Echtzeitparameter des Prozesses, die Batch-Dokumentation gemäß 21 CFR Teil 11 sowie die Dokumentation zu Änderungen und zur Kalibrierung und Wartung von Geräten sind alle in einem vernetzten digitalen System enthalten, wodurch die Auditbereitschaft erreicht wird. In Kombination mit einer Audit-Anfrage über die Blockchain bieten diese integrierten Systeme eine einmalige Lösung zur langfristigen Datensicherung und zur Erstellung manipulationssicherer Aufzeichnungen. Moderne Anlagen nutzen ein System, das Technologien zur kontinuierlichen Erfassung von Abweichungen integriert und automatisierte Ursachenanalysen (Root Cause Analysis) durchführt. Die durchschnittliche Systemlaufzeit der Branche wird um 35 % reduziert. Die implementierten Rahmenbedingungen belegen vollständig integrierte, automatisierte und digital gestützte Qualitätssysteme, die zum Zeitpunkt des Audits die EEAT unterstützen.
Häufig gestellte Fragen
Was bedeutet es, im Bereich der Bioreaktor-Zellkultur den FDA-cGMP-Vorschriften zu entsprechen?
Die Betriebsabläufe der Bioreaktor-Zellkultur gewährleisten die Produktsicherheit und -qualität. Das Produkt muss frei von Kontaminationen sein, und die Betriebsabläufe der Zellkultur-Bioreaktoren erfüllen die strengen Anforderungen zur Kontaminationskontrolle, zur Qualifizierung der Ausrüstung sowie zur Sterilität.
Welche Bedeutung hat die Durchführung eines Druckabfall-Lecktests an einem Bioreaktor?
Die Durchführung eines Druckabfall-Lecktests ist das einzige Mittel, um die Sterilität des Zellkulturprozesses zu gewährleisten, indem kontinuierlich die Integrität des Behälters für die stoffliche Eindämmung sichergestellt wird.
Aus welchen Komponenten besteht die Gerätequalifizierung für Bioreaktoren?
Es gibt drei Komponenten: Installationsqualifizierung (IQ), Betriebsqualifizierung (OQ) und Leistungsqualifizierung (PQ). Diese beziehen sich auf die Montage des Bioreaktors, den Betrieb des Bioreaktors sowie die Produktionsresultate des Bioreaktors.
Was versteht man unter Kontaminationskontrollstrategien (CCS) im Kontext des EU-GMP-Anhangs 1?
CCS stützt sich sowohl auf wissenschaftliche als auch auf risikobasierte Methoden zur Bewertung der Bioreaktorfunktion mit dem Ziel, die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination in der Zellkultur zu minimieren.
Wann könnte ein vollständig geschlossener Bioreaktor lediglich einen Reinraum der ISO-Klasse 7 (Klasse C) erfordern?
Wenn ein vollständig geschlossener Bioreaktor während der Probenahme, des Transfers oder des Betriebs niemals mit der Außenumgebung in Kontakt kommt, ist lediglich ein Reinraum der ISO-Klasse 7 (bzw. Klasse C) ausreichend.