Die Leistungsfähigkeit der Atemgasanalyse zur Optimierung biopharmazeutischer Prozesse

Aug 14, 2023

Füllen Sie das Formular unten aus und wir senden Ihnen per E-Mail eine PDF-Version von „The Power of Respiratory Gas Analysis To Optimize Biopharmaceutical Processes“ zu.

Füllen Sie das Formular unten aus, um den Zugriff auf ALLE Audioartikel freizuschalten.

Fermentation und Säugetierzellkultur sind entscheidende Prozesse für die Herstellung vieler Arzneimittel, einschließlich therapeutischer monoklonaler Antikörper und Impfstoffe, und bilden die Grundlage für viele der jüngsten Fortschritte in der Zell- und Gentherapie. Die Zellkultur und ihre Umgebung müssen sorgfältig überwacht werden, um die strengen Kontrollen bei der biopharmazeutischen Herstellung einzuhalten, hohe Erträge sicherzustellen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Mithilfe der Atemgasanalyse können das Verhalten und die Produktivität der Zellen charakterisiert werden, indem die Gase überwacht werden, die einer Kultur während der Inkubation zugeführt und von ihr produziert werden. Die Online-Prozessmassenspektrometrie ist eine Technik zur kontinuierlichen Atemgasanalyse, die in die regulatorischen Rahmenbedingungen für die Prozessüberwachung passt und sie zu einem nützlichen Werkzeug zur Verbesserung der Prozesseinblicke und zur Erzielung besserer Ergebnisse während der Zellkultur oder Fermentation macht.

Die Prozessanalysetechnologie (PAT) nutzt eine kontinuierliche Überwachung, um durch Echtzeitmessungen ein besseres Verständnis der Funktionsweise von Prozessen zu erlangen. Die generierten Daten können dann zur Verbesserung der Prozesssteuerung und der Ergebnisse verwendet werden. In der biopharmazeutischen Industrie können diese Ergebnisse unter anderem die Verbesserung der Produktqualität, die Sicherstellung der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, die Verkürzung der Bearbeitungszeit oder die Beschleunigung der Entwicklung neuer Produkte umfassen. PAT ist ein mehrstufiger Prozess, der mit dem Verständnis der kritischen Qualitätsattribute (CQAs) für den Prozess beginnt, der beibehalten/verbessert werden muss, dann mit der Identifizierung, welche kritischen Prozessparameter (CPPs) sich auf diese CQAs auswirken, und schließlich mit der kontinuierlichen Überwachung und Kontrolle dieser CPPs zur Verbesserung der Prozessergebnisse.

Abbildung 1: Implementierungsschritte für PAT.

Abhängig von der Art des überwachten Arbeitsablaufs gibt es viele Arten von PAT, die in der pharmazeutischen Entwicklung und Herstellung eingesetzt werden. Die Fermentation ist ein komplizierter Prozess, der eine sorgfältige Kontrolle der Umgebung sowie die Überwachung des Zustands der Kultur erfordert, um die Erträge zu steigern und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Während der Biopharma-Fermentation liefern Spülgase Sauerstoff, unterstützen die Kontrolle von pH-Wert und Temperatur und fördern eine effiziente Durchmischung im Bioreaktor. Dieser Prozess beinhaltet die sorgfältige Regulierung verschiedener Gase – darunter Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff –, um eine optimale Umgebung für das Wachstum und den Stoffwechsel der Zellen zu schaffen. Bei der Fermentation entstehen auch Abgase wie Kohlendioxid und andere Stoffwechselnebenprodukte. Um diese Abgase zu entfernen und gleichzeitig mögliche Verluste an wertvollen flüchtigen Verbindungen zu minimieren, ist ein ordnungsgemäßes Gasflussmanagement von entscheidender Bedeutung, da die Ansammlung das Zellwachstum und die Produktbildung hemmen kann.

Mithilfe der Online-Überwachung sowohl der Einblas- als auch der Auslassgase kann der respiratorische Quotient (RQ) berechnet werden – die Rate des Sauerstoffverbrauchs und der Kohlendioxidentwicklung. Die Kenntnis des RQ ist wichtig, um die Gesundheit der Kultur zu verstehen und sowohl die Stoffwechseleffizienz als auch die Art der aufgenommenen Nährstoffe anzuzeigen. Die genaue Bewertung der Konzentrationen der Einlass- und Auslassgase eines Bioreaktors – einschließlich flüchtiger Gase – bietet einen idealen Ansatz, um die Wachstumskinetik und den Substratverbrauch einer Kultur auf nicht-invasive Weise genau zu verfolgen, ohne die Sterilität der Umgebung zu beeinträchtigen. Diese Daten liefern unschätzbare Erkenntnisse zur Optimierung von Prozessen, Zufuhrzeiten und dem Beginn der Induktion sowie zur Bestimmung des idealen Zeitpunkts zum Stoppen der Fermentation für eine maximale lebensfähige Zellmasse. Die Gasanalyse in Echtzeit bietet auch Möglichkeiten, Kontaminationen vor der Beimpfung zu erkennen sowie unerwünschte Nebenprodukte und den Beginn einer Vergiftung zu erkennen. Diese Faktoren verbessern die Gesamteffizienz der Herstellung, reduzieren Überverarbeitung und Abfall und tragen zu höheren biopharmazeutischen Erträgen und Gewinnen bei.

Massenspektrometrie (MS) ist eine relativ einfache und nicht-invasive Methode zur Analyse der an Fermentationsprozessen beteiligten Gase. Diese Technik erfordert keine Probenentnahme oder den Einsatz von Sensoren, die im sterilen Fermentationsbereich platziert werden, um eine Kontamination zu verhindern. MS-Plattformen bieten außerdem mehr Flexibilität als alternative Gasanalysatoren, da ihre Analysemethoden hauptsächlich in der Software definiert sind und die Analyse einer Vielzahl von Probenströmen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ermöglichen. Darüber hinaus ist MS oft schneller, genauer und vielseitiger als andere Techniken, und die Instrumente kalibrieren sich selbst bei sehr geringem Wartungsaufwand, was Ausfallzeiten reduziert und einen kontinuierlichen Einsatz ermöglicht.

Die meisten Massenspektrometrie-Arbeitsabläufe bestehen aus denselben drei Schlüsselschritten – Ionisierung, Massentrennung und Detektion –, aber die Magnetsektor-MS hat sich als bevorzugte Methode für die Fermentationsüberwachung herausgestellt. Dieser Ansatz nutzt ein variables Magnetfeld zur Trennung geladener Teilchen und wird mittlerweile von vielen der weltweit führenden Biotechnologie- und Pharmaunternehmen erfolgreich eingesetzt. Die Magnetsektor-MS nutzt die Ionisierung heißer Filamentelektronen, um positiv geladene Ionen aus dem Probengas zu erzeugen. Anschließend erfolgt die Massentrennung, bei der die positiv geladenen Ionen mit hoher Energie in einen magnetischen Rastersektor beschleunigt und entsprechend ihrer Masse und Ladung abgelenkt werden. Diese abgelenkten Ionen gelangen dann in den Detektor, wo das von den Ionen erzeugte Signal gemessen wird, wobei die Anzahl der Ionen von jedem Gasmolekül direkt proportional zum am Detektor erzeugten Signal ist.

Diese Technik bietet gegenüber der Quadrupol-MS zahlreiche Vorteile – darunter eine höhere Linearität, Genauigkeit und Präzision. Außerdem wird eine hohe Ionenbeschleunigungsspannung verwendet, um hochenergetische Ionen zu erzeugen, wodurch die Anfälligkeit für Streuung durch Verunreinigungen durch Restmoleküle im Vakuumsystem verringert wird. Dadurch erreicht der Analysator eine hervorragende Stabilität und kann über lange Zeiträume kontinuierlich betrieben werden. Ein weiterer Vorteil der Magnetsektor-MS besteht darin, dass Instrumente weniger von Oberflächenaufladungseffekten – aufgrund unvollkommener Elektrodenoberflächen – beeinflusst werden, die zu einer Fehlausrichtung oder Drift in der Massenachse führen können. Beim magnetischen Sektor-MS erscheint die Signalintensität an einer bestimmten Massenposition als abgeflachter Peak, wodurch die Notwendigkeit entfällt, genau die Mitte des Peaks zu messen, und das System intrinsisch fehlertolerant macht. Dadurch können Magnetsektor-MS-Systeme über lange Intervalle zwischen den Kalibrierungen verfügen, was sie äußerst vorteilhaft für längere Fermentationsprozesse macht, die Tage oder sogar Wochen dauern können.

PAT ist in der biopharmazeutischen Industrie von entscheidender Bedeutung, um regulatorische Anforderungen zu erfüllen und eine effektive Prozesskontrolle sicherzustellen. Die Gasanalyse in Echtzeit ist besonders nützlich für die Überwachung von Fermentationen und Zellkulturen und wird durch die Entwicklung innovativer und intuitiver MS-Geräte verbessert. Diese Systeme bieten eine einfache und nicht-invasive Möglichkeit zur Analyse der am Arbeitsablauf beteiligten Gase und erfordern keine Probenentnahme oder den Einsatz von Sensoren im sterilen Fermentationsbereich, wodurch eine potenzielle Kontaminationsquelle ausgeschlossen wird. Entscheidend ist, dass die Magnetsektor-MS wichtige Daten – wie z. B. den RQ – liefert, damit Bediener fundierte Entscheidungen über Zufuhrzeiten und den Zeitpunkt der Beendigung der Fermentation treffen können. Dies trägt dazu bei, Erträge und Gewinne deutlich zu steigern und gleichzeitig konsistentere biotherapeutische Produkte herzustellen.