Seed Train Tool
Den Seed Train optimieren
Therapeutische Proteine, Impfstoffe oder monoklonale Antikörper – der Markt für Biopharmazeutika hat sich zum zentralen Wachstumsmotor der Branche entwickelt. Doch die Produktionsbedingungen in Bioreaktoren sind komplex, zudem müssen Hersteller strenge gesetzliche Qualitätsvorgaben einhalten. Die Biotechnologie rund um Professor Dr. Björn Frahm bietet mit ihren Forschungsergebnissen wertvolle Unterstützung bei einer zentralen Herausforderung: Wie lässt sich der Herstellungsprozess – Seed Train genannt – für die Billionen von Zellen, die zur Produktion benötigt werden, besonders qualitätsbewusst, stabil und effizient gestalten?
Zellkulturtechnik als Produktionsgrundlage für Biopharmazeutika
Biopharmazeutika wie monoklonale Antikörper für die Krebsdiagnose und -therapie, für die Behandlung von Autoimmunerkrankungen oder für die Verwendung in Schnelltests wie Schwangerschaftstests und Antigentests werden mit der Zellkulturtechnik hergestellt. Zudem finden monoklonale Antikörper Anwendung in der Labormedizin oder in der Forschung zur Proteinanalyse. Weitere Einsatzgebiete von Zellkulturen sind die Produktion von Impfstoffen oder Proteinen, wie dem Blutgerinnungsfaktor VIII zur Behandlung der Bluterkrankheit.
Aktuell sind weltweit über 350 Biopharmazeutika zugelassen, jährlich kommen etwa 30 – 40 neue Wirkstoffe hinzu. Für das Jahr 2025 wird der weltweite Umsatz biopharmazeutischer Produkte laut Marktforschungsberichten auf über 500 Milliarden US-Dollar geschätzt. Die für die Zellkulturtechnik benötigte Technologie an Geräten etc. verzeichnet eine jährliche Wachstumsrate von ca. 12 % und lag vergangenes Jahr bei über 20 Milliarden US-Dollar. Fortschritte in der Forschung, eine wachsende Weltbevölkerung sowie eine verbesserte medizinische Versorgung in vielen Ländern lassen den Markt Prognosen zufolge weiter expandieren.
In der biopharmazeutischen Zellkulturtechnik werden überwiegend Säugetierzellen eingesetzt: Im Gegensatz zu mikrobiellen Expressionssystemen können sie komplexe Proteine mit korrekter dreidimensionaler Faltung und human-ähnlichen posttranslationalen Modifikationen herstellen.
Weitere Infos zur Zellkulturtechnik und warum sie klar von Tierversuchen zu unterscheiden ist, finden sich hier.
Die Herausforderungen in der Vermehrung von Zellkulturen
Zellen und ihre Eigenschaften können sich mit der Zeit verändern, so dass sie an Leistungsfähigkeit verlieren. In der Zellkulturtechnik begegnet man dieser Problematik, indem man frische Zellen einfriert, um sie regelmäßig aufzutauen und zu vermehren. Durch das immer wieder neue Auftauen frischer Zellen aus einem eingefrorenen Vorrat wird eine stabile und reproduzierbare Herstellung mit qualitativ hochwertigen Produkten sichergestellt.
Das bedeutet jedoch, dass für jeden Start eines 10.000 Liter Bioreaktors ca. 5 Billionen Zellen neu hochgezogen werden müssen. Dieser Vorgang nennt sich Seed Train oder Inoculation Train.
Die Zellzahl wird dabei schrittweise erhöht, indem die Zellen in der Regel in größere Kultivierungssysteme überführt werden. Der Produktionsbioreaktor – auch als Hauptstufe bezeichnet – wird aus der größten Maßstabseinheit der Seed-Train-Kette beimpft.
Eine Zellkultur-Seed Train-Phase verläuft über einen erheblichen Zeitraum, oftmals etwa 3–4 Wochen, und verursacht entsprechend hoher Kosten. Der Seed Train ist für die Produktion von Beginn an von großer Bedeutung: Es gilt, die Zellen unter den bestmöglichen Kultivierungsbedingungen zu vermehren, denn Zellwachstum und Produktbildung werden bis in den Produktionsbioreaktor hinein maßgeblich durch ihre Umgebung beeinflusst. Eine Vielzahl von Prozessparametern erlaubt beim Seed Train dessen Gestaltung und die Einflussnahme auf den weiteren Verlauf – es ergeben sich also multidimensionale Design- und Optimierungsprobleme.
Seed Train Forschung an der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe
An der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Lemgo beschäftigt sich die Biotechnologie bei Professor Dr. Björn Frahm mit Forschung zu Zellkultur-Seed Trains. Dabei ist auch ein Seed Train Tool entwickelt worden – eine Software, mit der man verschiedenste Seed Trains von unterschiedlichen Zellen, Produkten oder Unternehmen am Computer darstellen kann. „Mit dem Seed Train Tool lassen sich die komplexen Zellvermehrungsprozesse so digital abbilden, dass sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für Unternehmen und Forschung eröffnet“, erläutert Björn Frahm.
Der jeweils so entstandene Digitale Zwilling erlaubt die Analyse und Optimierung eines bestehenden Seed Trains oder auch das Monitoring, also die Vorhersage und Anpassung eines laufenden Seed Trains für die Produktion. Mithilfe des digitalen Zwillings kann simuliert werden, wie die Zellen auf Veränderungen reagieren. So wird die Qualität und Stabilität des jeweiligen Outputs verbessert und die Zahl teurer Experimente deutlich reduziert.
Weiterhin ermöglicht das Seed Train Tool die Auslegung neuer Seed Trains, die Seed Train Protokollerstellung und die Bioreaktordimensionierung der zugehörigen Anlage. Bei der Seed Train Protokollerstellung geht es darum, die Prozessparameter festzulegen, mit denen der Seed Train durchgeführt wird. Also zum Beispiel, mit welcher Zellkonzentration die immer größer werdenden Bioreaktoren beim Hochziehen der Zellen gestartet werden, bis zu welcher Zellkonzentration die Zellen sich dort vermehren, wie die Zellen in den nächst größeren Bioreaktor transferiert werden oder auch wie viel Nährmedium mit welchen Konzentrationen an wichtigen Inhaltsstoffen zugegeben werden muss.
Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, den Seed Train mit Gauß-Prozessen zu modellieren und gesamtheitlich in Bezug auf mehrere Kriterien zu optimieren. Diese Erweiterungen wurden in Zusammenarbeit mit Professor Dr. Markus Lange-Hegermann durchgeführt.
Die Übertragung von bestehenden Seed Trains in andere bestehende Anlagen, die auch dasselbe Produkt herstellen sollen, gehört ebenfalls zu den industriellen Fragestellungen, die mit dem Seed Train Tool bearbeitet werden können.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Auswahl einer passenden Ursprungszelle bei der Zelllinienentwicklung, bei der für einen zukünftigen Produktionsprozess eine Zelle mit möglichst hoher Produktqualität, Produktivität und Stabilität sowie schnellem Wachstum ausgesucht wird, die aber auch zu dem zukünftigen Seed Train passen muss.
Das Seed Train Tool ist bei der Firma Novartis, Österreich, in die Anwendung übernommen worden und lieferte auch für Untersuchungen mit der Firma ExcellGene, Schweiz, wertvolle Beiträge. Es besteht eine Forschungskooperation mit der Firma Sandoz.
Aktuell wurde auch zusammengestellt, wie Wissen zum Seed Train umgesetzt werden kann, zum Beispiel in Form von Decision Trees, Decision Rules und Kriterien für das Übersetzen der Zellen in den jeweils nächst größeren Maßstab. Es werden zugehörige Möglichkeiten vorgestellt und auf die jeweiligen Vor- und Nachteile hin diskutiert. Damit sollen die Herausforderungen vieler Unternehmen weltweit in diesem Bereich adressiert werden.
Außerdem gibt es inzwischen das Seed Train Tool mit einer vereinfachten Oberfläche für die Routineanwendung in der Praxis in Erweiterung zu dem Entwicklermodus, der besser für die Forschung geeignet ist.
Bei den Entwicklungsarbeiten zum Seed Train Tool spielen auch die Unsicherheitsmodellierung und statistische Methoden eine Rolle – welche Unsicherheiten fließen ein durch Probenahme, Messungenauigkeiten, Simulation? Wie kann Vorwissen in Form von Expertenwissen und Experimenten integriert werden? Mit welcher Wahrscheinlichkeit können Vorhersagen getroffen werden?
Dahinter stecken Workflows, die auch für weitere Anwendungsgebiete interessant sind: So konnte Dr. Tanja Hernández Rodríguez, die viele Jahre intensiv zu Seed Trains und Unsicherheitsmodellierung geforscht hat, cross-innovativ beitragen zu dem Tool "Visual Water" zur Modellierung im Abwasserbereich der RUB – Ruhr Universität Bochum. Dabei konnten vorhandene Unsicherheiten mathematisch erfasst und abgeschätzt werden.
Lexikon
Die Zellkulturtechnik basiert auf der Arbeit mit etablierten Zelllinien und ist von Tierversuchen klar zu unterscheiden. Dabei wird ausschließlich mit Zelllinien gearbeitet, die sich in Kultivierungsgefäßen, z. B. Bioreaktoren, vermehren. Diese Zellen stammen ursprünglich aus einer einmaligen Entnahme, die oft schon vor vielen Jahren oder sogar Jahrzehnten erfolgt ist. Für die eigentliche Arbeit in der Zellkultur werden keine lebenden Tiere benötigt oder belastet. Heutzutage sind CHO-Zellen die häufigsten Produktionszellen der Biopharmaindustrie. Mit ihnen werden 70 – 80% der Biologika hergestellt.
Die wirtschaftliche Produktion in der Zellkulturtechnik erfolgt zumeist in Produktionsbioreaktoren im Maßstab 1.000 bis 20.000 Liter. Die erreichbaren Produkttiter (Produktkonzentrationen) liegen in gut optimierten Prozessen derzeit bei 5 – 10 Gramm Produkt pro Liter.
Die Produktion in einem 10.000 Liter Bioreaktor mit Säugetierzellen wird typischerweise mit einer Zellkonzentration von 200.000 – 500.000 Zellen pro Milliliter angeimpft. Das entspricht insgesamt bis zu 5 × 10¹² Zellen, also 5 Billionen Zellen bzw. 5.000 Milliarden Zellen.