Ein mittelgroßer Bioreaktor für die Entwicklung von Produktionsprozessen für Biopharmazeutika. Bild: Deutsches Museum
Im dritten Teil unserer Beitragsreihe zur Nano- und Biotechnologie geht es um den Herstellungsprozess von Biopharmazeutika, das sogenannte Biomanufacturing. Was Biopharmazeutika sind, haben wir Ihnen bereits im zweiten Teil unserer Reihe erklärt. Kurz gesagt sind dies biotechnologisch hergestellte Arzneimittel, die innovative Therapieansätze ermöglichen.
Heute wollen wir klären, wie man es schafft, dass Zellkulturen den gewünschten Wirkstoff für das Biopharmazeutikum in großer Menge herstellen. Außerdem zeigen wir, wie Biotechnologieunternehmen ihre Fertigungsprozesse immer weiter optimieren, um noch nachhaltiger zu produzieren.
Auch dieser Beitrag ist entstanden in Zusammenarbeit mit der Amgen GmbH. Das Biotechnologieunternehmen mit Sitz in München unterstützt als Gründungspartner das Zentrum Neue Technologien und die Ausstellung Nano- und Biotechnologie.
Struktur eines therapeutischen Antikörpers. Dieser kann spezifisch an Proteine binden, die Krankheiten verursachen. Bild: Wikimedia Commons | Fvasconcellos
Der Marktanteil der biotechnologischen Arzneimittel, der Biopharmazeutika, wächst in Deutschland kontinuierlich und liegt aktuell bei knapp 31 Prozent. Besonders in der Onkologie, Immunologie und bei der Behandlung von Stoffwechselerkrankungen finden sie heute Anwendung.1 Das Wachstum – sowohl bei Originalprodukten als auch bei Biosimilars (biotechnologisch produzierte Nachahmerprodukte) – zeigt die Bedeutung der medizinischen Biotechnologie in der Gesundheitsversorgung und somit die Notwendigkeit der Produktions- und Liefersicherheit auf. Bei Amgen werden die komplexen Wirkstoffe zur Behandlung schwerer Erkrankungen bereits seit über 30 Jahren erforscht und produziert. Dabei gilt die Maxime: „Every Patient, Every Time“ („Für jede Patientin und jeden Patienten, jederzeit“).
Etwa ein Viertel der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter weltweit – über 5.700 Beschäftigte – arbeitet an den Produktionsstandorten über den Globus verteilt. Sie stellen eine qualitativ hochwertige Produktion sowie eine verlässliche Versorgung mit Originalpräparaten und Biosimilars sicher. Dabei wird bei der Produktion sowohl auf eigene Werke als auch auf die von ausgewählten Partner gesetzt. So entsteht ein Netzwerk aus qualitativ hochwertigen Produktionsstätten, das sicherstellt, dass die Arzneimittel in höchster Qualität je nach Bedarf ausgeliefert werden können.
Ein mittelgroßer Bioreaktor für die Entwicklung von Produktionsprozessen für Biopharmazeutika. Bild: Deutsches Museum
Im Gegensatz zu kleinen chemisch synthetisierten Wirkstoffen werden Biopharmazeutika in lebenden Zellen produziert. Mittels gentechnischer Methoden wird die Erbinformation der Zellen so verändert, dass sie das Arzneimittel in großen Mengen bilden. Dafür wird artfremde DNA über verschiedene sogenannte Transformationsmethoden in die Zielzelle eingebracht und dort in ein Protein übersetzt. Dies funktioniert, da alle Zellen den universellen Code der Erbinformation, die DNA, lesen können. Verschiedene Methoden, um Zellen auf diese Weise gentechnisch zu verändern, können Sie bald wieder in unserer Ausstellung zur Nano- und Biotechnologie erkunden. In über der Hälfte der Fälle werden die Biopharmazeutika in Säugetierzellen produziert, doch auch die Synthese in Bakterien und Hefen ist weit verbreitet. Bei dieser biotechnologischen Herstellung – dem Biomanufacturing – werden die Zellen üblicherweise in großen Stahltanks, sogenannten Bioreaktoren, kultiviert und geben die Wirkmoleküle nach außen hin ab. Basierend auf ihrer Größe, Molekülmasse und elektrischen Ladung werden die Moleküle anschließend isoliert. Da Biopharmazeutika den Patientinnen und Patienten meist als Injektion oder Infusion verabreicht werden, wird der reine Wirkstoff schließlich mit einer sterilen Lösung gemischt.
Die Herstellung von biotechnologischen Arzneimitteln ist komplex. Bereits kleinste Abweichungen bei der Herstellung können das Endprodukt maßgeblich verändern. Um konstante Bedingungen und eine hohe Sicherheit für Patientinnen und Patienten gewährleisten zu können, müssen jegliche Qualitätsschwankungen vermieden werden. Daher findet die Produktion in einer optimalen, kontrollierten Umgebung statt, die permanent hinsichtlich Nährstoffen, Temperatur, pH-Wert und Druck überwacht wird.
Das Herzstück eines Bioreaktors, der Reaktorbehälter. Hier herrschen optimale und kontrollierte Bedingungen für ein konstantes Wachstum der kultivierten Zellen. Bild: Deutsches Museum
Bioreaktoren können bis zu 20.000 Liter Zellen und Nährmedium enthalten und müssen nach jedem Herstellungsprozess gereinigt und desinfiziert werden. Dadurch nehmen diese Produktionsstätten viel Platz ein und haben einen immensen Wasserverbrauch. Um der steigenden Bedeutung von Biopharmazeutika für die Gesundheitsversorgung gerecht zu werden, entwickelt Amgen die klassischen Produktionsverfahren so weiter, dass sie nachhaltiger und effizienter werden.Das Biotechnologieunternehmen setzt bereits moderne Bioreaktoren ein. 2014 wurde die erste Produktionsanlage, in der neueste Fertigungstechnologie zur Verfügung steht, in Singapur errichtet und in den USA (Rhode Island) ist eine weitere solche Anlage in Bau. Die Konstruktion der Anlage in Singapur benötigte im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsstätten weniger als die Hälfte der Zeit und nur ein Viertel der Kosten. Aufgrund dieser Ersparnisse und der – trotz gleichbleibender Produktionskapazität – um 75 Prozent verringerten Anlagengröße, plant Amgen zukünftig die Etablierung vieler kleiner moderner Produktionsstätten, die die lokalen Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten decken sollen.
Moderne Produktionsanlage bei Amgen in Singapur mit kleineren Einwegsystemen. Bild: Amgen | Ted Chen
Amgens Produktionsstätte in Singapur ist umweltfreundlicher als herkömmliche Anlagen. Im Unterschied zu den gängigen Produktionsstätten sind die neuen Anlagen modular aufgebaut, wodurch sich die Prozesse effizienter miteinander vernetzen lassen. Außerdem ist es so möglich, dass die Synthese kleiner Wirkstoffmengen, wie sie zum Beispiel für klinische Prüfungen benötigt werden, am selben Ort wie die kommerzielle Produktion stattfinden kann. Statt großer Stahltanks werden die Zellen beim modernen Biomanufacturing in kleineren Einwegsystemen kultiviert. Reinigungsprozesse werden so vermieden, was den Wasserverbrauch um 45 Prozent senken kann. Zusätzlich stößt eine Anlage, die mit der neuen Technologie ausgestattet ist, ca. 71 Prozent weniger CO2 aus und verbraucht ungefähr 71 Prozent weniger Energie.
Christine Kolczewski leitet das Zentrum Neue Technologien (ZNT) und ist Kuratorin für Nano- und Biowissenschaften. Neben der Betreuung und Aktualisierung der Sammlung und Ausstellung zur Nano- und Biotechnologie gehört auch die Entwicklung und Planung von Veranstaltungen zum Thema Neue Technologien zu ihren Aufgaben.
Außerdem leitet sie die Abteilung Ausstellungsprojekte Sonderausstellungen und ist Ansprechpartnerin für alle großen und kleinen Sonderausstellungen auf der Museumsinsel.
Ist promovierte Biologin und zuständig für den Bereich Life Sciences. Dies umfasst nicht nur die spannende Sammlung an Laborgeräten sondern auch die Leitung des DNA-Besucherlabors im Zentrum Neue Technologien. Hier können Interessierte selbst an Laborgeräten unter Anleitung experimentieren und PCR, DNA-Isolation und Antigentests kennenlernen.
Ihr Tipp – Im Untergeschoss der neuen Eingangshalle finden Sie seit kurzem eine Highlight-Ausstellung zu aktuellen Themen der Nano- und Biotechnologie. Hier können Sie sich zu spannenden Themen wie PCR, Rasterkraftmikroskope oder über die Genschere CRISPR/Cas informieren.
