Forschung

Der Energie- und Wasserverbrauch für Pufferherstellung kann beträchtlich sein, insbesondere wenn WFI (Water for Injection) verwendet wird. Während die chromatographische Prozessentwicklung einen minimalen Pufferverbrauch anstreben kann, ist die indirekte ökologische Auswirkung von Puffern in der Bioprozessierung völlig unbekannt. Dies liegt daran, dass Nachhaltigkeitsanalysen und Lebenszyklus-Inventare rudimentär sind und nicht zweckmäßig, um während der Prozessentwicklung als Entwicklungsziel genutzt zu werden. Traditionell ist die Reduzierung von Puffervolumina bereits Teil der aktuell umgesetzten Prozessentwicklungsziele, da geringere Puffervolumina auch niedrigeren Kosten und schnelleren Prozessen entsprechen. Neben der Herstellung neuer chromatographischer Formate (wie Filter, Monolithe usw.) bleibt wenig Raum für weitere Verbesserungen bei der direkten Reduktion des verbrauchten Puffers. Doch der Einfluss der Nachhaltigkeit von Pufferarten und Pufferstärke ist völlig offen für Untersuchungen, bisher nicht angesprochen und leicht in jedem Maßstab als Design- und Entwicklungsziel umsetzbar. Pufferarten, Pufferherstellung und Pufferkonzentrationen werden derzeit traditionell ausgewählt oder durch Entwicklungsziele bestimmt, die in keinerlei Zusammenhang mit Nachhaltigkeit stehen. Wir können dieses unterentwickelte Gebiet nutzen, um Puffer und Konzentrationen auszuwählen, die aus bioprozessualer Sicht gleichermaßen leistungsfähig sind, aber mit einem deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck. Um den Einfluss von Puffern und deren Herstellung auf die Downstream-Verarbeitung zu erfassen und zu quantifizieren, schlagen wir vor: (1) die Erstellung eines umfassenden Lebenszyklus-Inventars gängiger in der biotechnologischen Produktion verwendeter Pufferarten; (2) eine Bewertung der potenziell maximalen Einsparungen durch Änderungen der Pufferarten und Pufferkonzentrationen, die durch diesen Ansatz erreicht werden können; (3) ein schnell zu verwendendes Tool für die Prozessentwicklung, um die Lebenszyklusauswirkungen von Puffern zu bewerten und einen nachhaltigkeitsbezogenen Key-Performance-Indicator zu implementieren, der während der Prozessentwicklung verfolgt werden kann; (4) und schließlich die Erstellung physischer Demonstrationsanwendungsfälle als Machbarkeitsnachweis.

Die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von rekombinantem Influenza-Neuraminidase (rNA)-Antigen im Baculovirus-System und insbesondere die nachgeschaltete Verarbeitung/Reinigung werden in Zusammenarbeit zwischen der Icahn School of Medicine am Mount Sinai und der Universität für natürliche Ressourcen und Biowissenschaften durchgeführt, um ein auf Affinitätsreinigung basierendes nachgeschaltetes Verfahren zur Herstellung von mit seinen Markierungen versehener rNA zu optimieren, das im CMO Expression Systems erfolgreich umgesetzt werden kann, um genügend rNA für eine klinische Phase-I-Studie des Collaborative Influenza Vaccine Innovation Centers (CIVICs) zu produzieren. Darüber hinaus soll ein ertragreicher tagloser Reinigungsprozess entwickelt werden, der es uns ermöglichen würde, ausreichende Proteinausbeuten für die klinische Entwicklung nach der Phase I zu erzielen. Diese Arbeiten werden uns in die Lage versetzen, rNA-Impfstoffe in klinischen Versuchen zu testen, und könnten auch einen kommerziellen Weg für die Entwicklung von Impfstoffen auf der Basis von rNA-Proteinen im Allgemeinen eröffnen.

Die Vision des CD Labors ist es die Produktion von rAAV zur Gentherapie vom kostenintensiven, Empirie-getriebenen Ansatz zu einer wissens- und modellbasierten Prozessentwicklung und Produktion zu führen. Dazu braucht es profundes Verständnis von Zusammenhängen wie Ziellinien, therapeutischen Gene oder Prozessbedingungen miteinander interagieren und die Qualität und Menge an rAAV beeinflussen. Wir werden Analysen ausbauen, die eine genaue Charakterisierung von rAAV und Verunreinigungen ermöglichen. Eine der wichtigsten Aufgaben wird hier die Differenzierung zwischen mit therapeutischer DNA beladenen und leeren rAAVs sein, nachdem unterschiedliche Zelllinien und verschiedenen therapeutische Gene zu stark variierenden Verhältnissen zwischen diesen Varianten führen. Die Überprüfung der Produktqualität wird zurzeit mittels Analysen im Anschluss an den Prozess durchgeführt. Solche Analysen sind zeit-und kostenintensiv, und verlangen Stehzeiten im Prozess. Sie liefern nur rückblickend Informationen und können daher nicht zur Prozesssteuerung verwendet werden. Daher werden Sensoren untersucht, die während des Prozesses wichtige Prozessparameter aufzeichnen und Information über dessen Verlauf liefern. Das erlaubt die Prozessüberwachung und -steuerung d.h. ein Eingreifen in den Prozess zur Sicherung der gewünschten Qualität. Diese Vorgehensweise erhöht nicht nur die Sicherheit der Prozesse, sondern auch deren Effizienz. Um ein systematisches Verständnis wichtiger Parameter und deren Zusammenspiel zu erarbeiten, werden verschiedene HEK Ziellinien untersucht und genomweite Analysen der Zellantwort auf die Virusproduktion erhoben. Darauf basierende werden Strategien zur Verbesserung der rAAV Ausbeute und deren Qualität entwickelt. Optimierte Zellinien and Prozessierungstrategien in den Produktionsmaßstab zu bringen ist ein mehrstufiger zeit-und kostenintensiver Prozess. Der kleinste zur Zeit für die Prozessentwicklung von rAAV Produktion zur Verfügung stehende Maßstab ist der Labormaßstab, der auf Grund des relativ hohen Materialaufwandes nur eine limitierte Anzahl an Experimenten zulässt. Nur eine miniaturisierte Prozessentwicklungsplattform ermöglicht einen integrierten Ansatz zur Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Prozessschritten oder Up und Downstream Processing. Diese wird daher für die Prozessentwicklung von rAAV aufgesetzt und wird alle relevanten Schritte der Zellkultivierung und des Downstream Processing umfassen. Beispielhaft wird schließlich ein optimierter Prozess auf dieser Plattform erarbeitet und mit einem derzeitigen Prozess verglichen.