Der Zucker macht den Unterschied

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Roche-Experten haben ein Verfahren zur Produktion von Enzymen patentiert, die den Herstellungsprozess therapeutischer Antikörper verbessern.

Therapeutische Antikörper und Proteine sind nicht umsonst das am schnellsten wachsende Segment des weltweiten Pharmamarkts. Ihre einzigartige Fähigkeit, passgenau an bestimmte Moleküle (Rezeptoren) auf der Oberfläche der Zielzelle zu binden und dadurch Prozesse wie etwa den Zelltod von Krebszellen in Gang zu setzen, hat eine neue Ära zielgerichteter Therapien eingeläutet.

Doch nicht allein die Bindung an die Rezeptoren macht die Wirkung der Proteinarzneien aus. Bei mehr als zwei Dritteln der derzeit zugelassenen therapeutischen Proteine bestimmen an diese angeheftete Zuckermoleküle, wie effektiv sie Zellen abtöten, wie lange sie im Patienten bleiben oder wie dessen Immunsystem auf sie reagiert. Kein Wunder also, dass Pharmaforscher weltweit versuchen, die Zusammensetzung der Zuckerketten auf den Wirkstoffmolekülen zu optimieren, um die Arzneimittel noch wirksamer zu machen.

Fieberhaftes Arbeiten an robusten Prozessen

Dabei muss man jedoch wissen: Die Zellen, die den Proteinwirkstoff produzieren, liefern keineswegs immer das Produkt mit der gewünschten Zucker- oder Glykankette. Stattdessen entsteht selbst in optimierten Produktions­zelllinien und unter idealen Produktionsbe­dingungen ein Produktgemisch mit bis zu 15 verschieden glykosylierten Molekülen mit zwar sehr ähnlichen, aber dennoch unterschiedlichen Zuckerstrukturen.

Bereits kleinste Abweichungen von den idealen Produktionsbedingungen oder geringfügige Änderungen des Nährmediums erhöhen diese unerwünschte Heterogenität. Beides wirkt sich auf die Mengen der Enzyme in den Zelllinien aus, welche die verschiedenen Zuckerbausteine nacheinander zu der verzweigten Zucker- oder Gly-kankette verknüpfen. Und fehlt auch nur kurzzeitig ein Enzym oder ein Zuckerbaustein, entsteht eine andere Zuckerkette als geplant.

«Neben vollständig glykosylierten therapeutischen Proteinen findet man oft solche mit unvollständiger Zuckerkette», erklärt Harald Sobek von Roche Diagnostics in Penzberg, Deutschland. «Wenn man eine Mischung aus vielen verschiedenen Zuckerstrukturen hat, wirkt sich das logischerweise auf die Ausbeute an tatsächlich wirksamem Arzneimittel aus.» Da mit der Menge an aktivem Wirkstoff die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens steht und fällt, wird fieberhaft an robusten Prozessen gearbeitet, um die ungewollte Vielfalt an Zuckerstrukturen zu vermeiden.

Zuckerbausteine «an die Kette legen»

Gemeinsam mit einer Gruppe um Rainer Müller von Roche Custom Biotech hat Sobek nun ein Verfahren vorgestellt, das es gestattet, die Zuckerketten hocheffizient zu vervollständigen. «Die Produkthomogenität lässt sich schlecht im Fermenter verbessern», sagt Müller. «Es wird zwar versucht, Nährlösungen für die Zelllinien zu optimieren, um Proteine mit einheitlicherer Proteinglykosylierung herzustellen. Das gelingt aber nie hundertprozentig.» Sobek ergänzt: «Deshalb haben wir nach einem Weg gesucht, die Zuckerketten zu vervollständigen, wenn die Herstellung des Proteinwirkstoffs bereits abgeschlossen ist.» Dabei sollen hochspezifische Enzyme, so genannte Glykosyltransferasen, die verschiedenen Zuckerbausteine Stück für Stück genau an der richtigen Stelle in die Zuckerkette des Proteinwirkstoffs einbauen.

Die Lösung scheint auf den ersten Blick einfach: Die Forscher geben nach Abschluss der Fermentation chemisch aktivierte Vorstufen der benötigten Zucker und die Enzyme zum vorgereinigten Protein. «Während das Grundgerüst des Glykans meist richtig angelegt ist, fehlen oft die beiden Bausteine Galaktose und Sialinsäure, die zuletzt an die Zuckerkette angehängt werden», erläutert Sobek. Die Zuckerexperten haben deshalb zuerst das Enzym alpha-2,6-Sialyltransferase auf den Markt gebracht. Es heftet den letzten, für die Stabilität des therapeutischen Proteins wichtigen Baustein Sialinsäure an die Zucker-kette des Proteinwirkstoffs. Aktuell lancieren sie die 1,4-Galactosyltransferase, das den vorletzten Baustein anheftet. Die bisherigen experimentellen Daten geben den Forschern Recht. «In Tests hat unsere Galactosyltransferase alle Zuckerandockstellen zu 100 Prozent galactosyliert», so Müller. Mehr als 90 Prozent Effizienz beobachteten die Forscher beim Anhängen der Sialinsäure – ein grosser Fortschritt, bedenkt man, dass viele Fermentationen weniger als die Hälfte des Proteins mit der gewünschten Glycosylierungsstruktur liefern.

Die Herstellung der Enzyme ist laut Sobek ein teurer, aufwendiger und unwirtschaftlicher Prozess. «Bis dato war es nur möglich, kleinste Mengen der benötigten Enzyme in Insektenzellen herzustellen.» Erstmals weltweit haben die Roche-Experten nun ein Verfahren entwickelt und patentiert, das die Produktion ausreichend grosser Mengen von Enzymen in Säugetierzellen ermöglicht, die Pharmaunternehmen zur Herstellung therapeutischer Proteine nutzen.

Technische Details verraten Sobek und Müller nicht, wohl aber, wie sie den Markt für ihre neuen Produkte aufbauen wollen. «Zuerst bedienen wir die F&E-Abteilungen von Pharmakunden», so Müller. Parallel dazu wird der zweite Schritt bereits vorbereitet: die Produktion in Mengen und unter Bedingungen, die den strengen GMP-Produktionsrichtlinien entsprechen, die von den Zulassungsbehörden für die kommerzielle Herstellung gefordert werden.

Tags: Wissenschaft