Die Entwicklung von Antikörperwirkstoffen basiert auf einem gut strukturierten Quality-by-Design (QbD)-Ansatz für die Upstream-Produktion. Durch die Nutzung der Vorteile von Design of Experiments (DoE) und Hochdurchsatz-Parallelbioreaktor-Technologie können Forscher Laborprozesse in der Forschung und Entwicklung (F&E) effizient abschließen. Ein entscheidender Schritt in diesem Prozess ist die frühzeitige Identifizierung der Beziehung zwischen kritischen Qualitätsattributen (Critical Quality Attributes, CQAs) und kritischen Prozessparametern (Critical Process Parameters, CPPs), was dazu beiträgt, den Designraum während der Entwicklung zu definieren.
Sobald die kleinskaligen F&E-Prozesse erfolgreich etabliert sind, besteht die nächste Herausforderung in der Skalierung auf Pilot- und Produktionsniveau. Im Idealfall kann ein effizienter Skalierungsprozess innerhalb von 2–4 Monaten von der F&E zur vollständigen Produktion übergehen. Um jedoch einen nahtlosen Prozessübergang und eine erfolgreiche Skalierung zu erreichen, sind fundierte Expertise und Erfahrung des gesamten Prozesstechnikteams erforderlich.
Wichtige Aspekte bei der Prozessskalierung
Das primäre Ziel der Prozessskalierung ist es, eine stabile zelluläre Umgebung für eine konsistente Produktexpression zu gewährleisten, während die Kulturvolumina zunehmen. Die wichtigsten Kennzahlen zur Bewertung der Prozessskalierung sind:
- Zellichte und Wachstumsrate
- Lebensfähigkeit und Produktivität
- Produktexpressionsrate
- Glykosylierungsprofile
Während der Skalierung können die wichtigsten Prozesskontrollparameter in zwei Kategorien unterteilt werden:
- Volumenunabhängige Faktoren wie Temperatur, gelöster Sauerstoff (Dissolved Oxygen, DO) und pH-Wert.
- Volumenabhängige Faktoren wie Rührgeschwindigkeit und Belüftungsrate, die von der Behältergröße und -geometrie beeinflusst werden.
Da in der F&E Bioreaktoren verschiedener Hersteller eingesetzt werden, stellen Unterschiede in Materialien (Einweg- vs. Glasbehälter), Aspektverhältnissen, Rührdesigns und Tankgeometrien Herausforderungen dar, um konsistente Rühr- und Belüftungsbedingungen nach der Skalierung aufrechtzuerhalten. Um eine einheitliche Kultivierungsumgebung zu gewährleisten, setzen Entwickler auf die folgenden Skalierungsstrategien:
Häufige Skalierungsstrategien
1. Konstante Rührerspitzengeschwindigkeit
Rührscherkräfte beeinflussen die Zelllebensfähigkeit erheblich, wobei verschiedene Zelllinien unterschiedliche Toleranzen aufweisen. Frühe CHO-Zelllinien waren sehr empfindlich gegenüber Scherkräften, während moderne, gentechnisch veränderte Zelllinien eine größere Widerstandsfähigkeit zeigen.
Die Rührerspitzengeschwindigkeit, die vom Rührerdurchmesser und der Drehzahl bestimmt wird, ist ein Schlüsselfaktor für die Aufrechterhaltung konsistenter Scherkräfte. Da größere Bioreaktoren größere Rührer erfordern, wird deren Drehzahl entsprechend reduziert, um ähnliche Scherbedingungen zu erhalten. Diese Methode ist besonders effektiv für kleine bis mittlere Skalierungen.
2. Konstante Mischzeit
Die Mischzeit, ein kritischer Parameter in der chemischen Verfahrenstechnik, gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung von Nährstoffen und Gasen. Während kleinere Bioreaktoren (z. B. 2 l) eine schnelle Durchmischung erreichen, erfordern größere Volumina höhere Rührgeschwindigkeiten, was die Scherkräfte erhöhen und die Zelllebensfähigkeit beeinträchtigen kann. Daher ist diese Strategie eher für chemische Prozesse als für Zellkulturen geeignet.
3. Konstanter Sauerstoffübergangskoeffizient (kLa)
Der volumetrische Sauerstoffübergangskoeffizient (kLa) bestimmt die Sauerstoffverfügbarkeit, die für den Zellstoffwechsel entscheidend ist. Die Aufrechterhaltung eines konstanten kLa gewährleistet eine einheitliche Sauerstoffübertragungsumgebung über verschiedene Skalen hinweg. Allerdings wird kLa von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter Rühr- und Belüftungsraten, was eine umfangreiche Optimierung erfordert. Mit zunehmendem Reaktorvolumen wird die CO₂-Anreicherung zu einer Herausforderung, was die Aufrechterhaltung des kLa weiter erschwert.
4. Konstante Leistung pro Volumeneinheit (P/V)
P/V, eine Funktion der Rührerleistungszahl (Np), der Behältergeometrie und der Flüssigkeitseigenschaften, beeinflusst die Mischeffizienz und den Stofftransport. Es wird weithin als das effektivste und am häufigsten verwendete Skalierungskriterium angesehen. Aufgrund der spezifischen Schertoleranzen von Zelllinien liegt der empfohlene P/V-Bereich typischerweise zwischen 10–40 W/m³.
Zusätzliche Überlegungen bei der Großkultivierung
Neben den primären Skalierungskriterien müssen größere Bioreaktoren die Auswirkungen von CO₂-Anreicherung auf das Zellwachstum und die Proteinexpression berücksichtigen. Im Gegensatz zu kleinskaligen Systemen, bei denen der Gasaustausch metabolisches CO₂ natürlich entfernt, weisen großskalige Kulturen eine geringere CO₂-Abtrennungseffizienz aufgrund niedrigerer kLa-CO₂-Werte auf. Faktoren wie Gasättigung und Blasendynamik müssen durch verbesserte Belüftungsstrategien oder integrierte CO₂-Entfernungssysteme gesteuert werden.
Anpassung an sich entwickelnde Prozessherausforderungen
Mit dem Fortschritt der Antikörpertechnologie entwickeln sich auch die Herausforderungen der Prozessskalierung weiter. Prozessentwickler müssen flexibel bleiben und Skalierungsstrategien basierend auf den Eigenschaften der Zelllinie und den produktspezifischen Anforderungen anpassen. Ein ganzheitlicher Ansatz – der P/V, Rührerspitzengeschwindigkeit, CO₂-Entfernung und kLa in Einklang bringt – gewährleistet eine optimale Prozessleistung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der CQAs.
Durch die Integration fortschrittlicher prozesstechnischer Prinzipien können biopharmazeutische Unternehmen eine zuverlässige und effiziente Skalierung erreichen und so den nahtlosen Übergang von der F&E zur großskaligen Produktion ermöglichen.
