Biotech-Produktion

Gentechnisch veränderte Zellen und Zell-Linien

Möchte man humane Proteine als Produkte der biotechnologischen Herstellung erhalten, müssen die entsprechenden menschlichen Gene in die produzierenden Zellen überführt werden. Wichtige Standard-Wirtsorganismen sind Bakterien der Art Escherichia coli und die eukaryotischen CHO-Zellen (Ovarialzellen des chinesischen Hamsters).

In Zellen dieser und ähnlicher Linien bringen Biotechnologen die Struktur- und Kontrollgene zur Produktion des gewünschtenWirkstoffs ein.

Damit etablieren sie eine neue rekombinante Zell-Linie, die ein wertvoller Besitz des Herstellers ist, denn diese Zellen sind die eigentlichen Produzenten des Biopharmazeutikums.

Die Vermehrung dieser Zelle ist technisch höchst anspruchsvoll, insbesondere wenn ein therapeutisches Protein in Säugetierzellen hergestellt werden muss. Lebende Zellen reagieren empfindlich auf kleinste Veränderungen ihrer Umgebung: von der Nährlösung bis zum Design der Anlagen spielen viele Faktoren und Substanzen eine Rolle. Diese Faktoren entscheiden nicht nur über die Ausbeute an produziertem Wirkstoff, sondern auch über die Menge an störenden oder ungewollten Nebenprodukten und sogar über die Wirkstoffstruktur.

Deshalb sind alle biopharmazeutischen Produktionsanlagen einzigartig:

Wird eine einzige der vielen Komponenten verändert, kann dies das Resultat beeinflussen – und im Extremfall ein neues Zulassungsverfahren notwendig machen.

Master Cell Bank

Die gentechnisch veränderten Zellen werden vermehrt und bei Tiefsttemperaturen sicher in einer so genannten Master Cell Bank verwahrt; für längere Verweildauern können die Zellen in flüssigem Stickstoff bei -196°C nahezu unbegrenzt aufbewahrt werden. Aus derartigen Zellbanken werden die Zellen für die eigentliche Wirkstoffproduktion entnommen. Diese verläuft in folgenden Schritten:

Anzucht:

Die Zellen werden aus der tiefgefrorenen Zellbank in ein flüssiges Nährmedium überführt und darin vermehrt. Während des Wachstums wird die Zellkultur schrittweise in grössere Kulturgefässe überführt.

Fermentation:

Während dieser Phase findet die eigentliche Wirkstoffproduktion statt. Die Kulturmedien enthalten eine Vielzahl verschiedener Komponenten zur Herstellung des gewünschten Proteins. Die genaue Zusammensetzung des Mediums muss für jede Produktionszelle speziell optimiert werden. Die Stahlbehälter für die Fermentation im Großmassstab umfassen bis zu 10.000 Liter – limitiert ist diese Grösse nicht nur technisch sondern auch biologisch: Je grösser der Fermenter, umso schwieriger ist es, weitestgehend gleiche Bedingungen für alle Zellen zu schaffen.

Aufreinigung:

An die Fermentation kann sich unmittelbar die Aufreinigung anschliessen. Im einfachsten Fall geben die kultivierten Zellen das Produkt an das umgebende Medium ab (Sekretion).

Über Zentrifugation oder Filtration werden die Zellen vom Kulturmedium abgetrennt und hieraus die Wirkstoffmoleküle über mehrere Reinigungsschritte isoliert. Verbleibt das Produkt dagegen nach der Biosynthese in den Zellen, müssen diese zunächst aufgeschlossen werden. Anschliessend erfolgt in einem mehrstufigen Prozess die Trennung der Zelltrümmer und der vielen anderen Inhaltsstoffe der Zelle vom Wirkstoff.

Jede Wirkstoffcharge wird auf ihre Reinheit und andere wichtige Eigenschaften untersucht, um eine kontinuierlich gleich bleibende Qualität sicherzustellen – für die Zulassung sind 99,9% Reinheit erforderlich.

Erst danach kann das fertige Produkt weiter verarbeitet und verschickt werden.

Formulierung und Abfüllung:

Auch die letzten Schritte der Produktion von Biopharmazeutika sind anspruchsvoll: Die empfindlichen Proteine müssen in eine stabile, galenische Formulierung überführt und sicher abgefüllt, gelagert und verabreicht werden. Weil therapeutische Proteine aufgrund ihrer empfindlichen Strukturen durch die Magensäure zerstört werden und wegen ihrer Molekülgrösse die Darmwand nicht passieren können, werden die meisten Biopharmazeutika als Injektion verabreicht.

Bezogen auf Umsatz und Produktionskapazität, ist Roche derzeit das größte Biotech-Unternehmen weltweit.

Die Roche Gruppe betreibt die folgenden biotechnologischen Produktionsanlagen:

Roche’s grösstes Biotechnologie-Zentrum – im bayrischen Penzberg – vereint Forschung und Entwicklung sowie Produktionsanlagen für beide Divisionen: Diagnostics und Pharma. Hier werden Enzyme, Proteine, Monoklonale Antikörper sowie Hormone für die Anwendung in Medizin und Forschung hergestellt. Der Standort umfasst ferner bedeutende Kapazitäten für Zellkulturen und Fermentation.