Einsatz mathematischer, statistischer und IT-gestützter Methoden im Bereich Biotechnologie

Tanja Hernández Rodríguez beschäftigt sich in ihrem durch das Graduiertenzentrum.OWL stipendienfinanzierten Promotionsvorhaben mit dem Einsatz mathematischer, statistischer und IT-gestützter Methoden im Bereich Biotechnologie, zum Beispiel für biopharmazeutische Produkte. Beispiele sind Antikörper zur Krebsbehandlung, Blutgerinnungsfaktor für Bluterkranke, tPA gegen Thrombose und Impfstoffe.

Tanja Hernández Rodríguez

Um solche Wirkstoffe herzustellen, werden Säugetierzellen (tierische oder menschliche) benötigt. Die Zellen stellen die Wirkstoffe auf biologischem Wege her. Hierzu werden sie in Nährmedium (Flüssigkeit mit Nährstoffen) unter kontrollierten Bedingungen (zum Beispiel Temperatur und pH-Wert) in einem Bioreaktor vermehrt (kultiviert). Zellkulturen müssen genau überwacht werden, um die Qualität des erzeugten Wirkstoffs zu gewährleisten.

Die Produktion biopharmazeutischer Wirkstoffe mit Zellkulturen in Maßstäben bis 20.000 L ist Stand der Technik und ein stark wachsender Bereich der Biotechnologie beziehungsweise der Gesundheitstechnologie. So gab es im Jahr 2018 über 300 zugelassene biopharmazeutische Produkte mit einem Jahresumsatz von etwa 200 Milliarden US-Dollar.

Für jeden Start eines großtechnischen Bioreaktors für die Wirkstoffproduktion müssen genügend Zellen erzeugt werden. Dazu findet ein Zellvermehrungsverfahren (Seed-Train) statt, welches im kleinen Maßstab startet und viele Bioreaktoren mit zunehmendem Volumen durchläuft. Aus dem größten Kultivierungsmaßstab des Zellvermehrungsverfahrens wird dann der Produktionsbioreaktor gestartet. Dies ist zeit-, kosten-, energie- und ressourcenintensiv.

Angemessenes Design sowie Steuerung und Optimierung von Seed-Trains ist wichtig, da sich in den letzten Jahren eine Auswirkung des Seed-Trains auf die Produktausbeute gezeigt hat. Dies ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Ein viel versprechender Ansatz hinsichtlich zahlreicher damit verbundenen Fragestellungen ist die Entwicklung eines digitalen Zwillings (digital twin) des Prozesses. Darunter ist die virtuelle Abbildung (mathematische Modellierung und Simulation) eines realen Prozesses zu verstehen, die Informationen über den aktuellen Zustand enthält sowie mögliche Veränderungen detektiert und für die Vorhersage der nahen Prozesszukunft berücksichtigt.

Tanja Hernández beschäftigt sich mit Methoden zur Generierung digitaler Zwillinge von biotechnologischen Prozessen wie zum Beispiel Seed-Trains. Dazu gehören Methoden der Identifikation von Modellparametern, das mathematische Einbinden von Vorwissen, das Updaten (Erneuern) von Vorhersagen nach Hinzunahme neuer Daten sowie die Berücksichtigung von Unsicherheiten und die programmiertechnische Umsetzung.

Damit kann beispielsweise ein ganzer Seed-Train unter Berücksichtigung verschiedener Variabilitäten und Unsicherheiten berechnet werden und den berechneten Zielgrößen können Auftrittswahrscheinlichkeiten sowie Wahrscheinlichkeitsbereiche (sogenannte Prognosebereiche) zugeordnet werden. Diese dienen als wichtige Information in Entscheidungsprozessen und sie können rückwirkend bei der Analyse bestimmter Prozessparameter helfen. Gearbeitet wird unter anderem mit praxisrelevanten industriellen Daten von zwei renommierten Partnerfirmen in Österreich und der Schweiz.

Eine entwickelte Software ist bereits bei einem der Partner in Testung.

Betreut wir das Promotionsvorhaben von Professor Dr.-Ing. Björn Frahm (TH OWL) und Professor Dr.-Ing. habil. Ralf Pörtner (TU Hamburg).