zum Inhalt springen
Powered by

Möglichst viele wertvolle Anhängsel behalten

Störende Substanzen und unerwünschte Nebenprodukte vom Wirkstoff möglichst schnell und wirksam trennen: Dieses Ziel verfolgen viele Vorhaben, welche die Aufreinigung von rekombinanten Proteinen im biopharmazeutischen Herstellungsprozess verbessern wollen. Einen weiteren Schritt auf diesem Weg macht ein Verbund aus Industrie und Forschung: Die Wirkstoffe sollen möglichst viele ihrer wertvollen „Anhängsel“ behalten. Im Blickpunkt des Projekts stehen Sialinsäuren, die an den Zuckerresten des Wirkstoffs hängen.

Sieben Partner zählt das vom Bundesforschungsministerium geförderte Aufreinigungstechnologie-Verbundprojekt. Hauptakteure sind die Merckle Biotec aus Ulm, Hersteller für biopharmazeutische Produkte, der Impfstoffhersteller IDT Biologika aus Dessau-Roßlau sowie die Universität Magdeburg (Prof. Udo Reichl vom Lehrstuhl für Bioprozesstechnik und Prof. Andreas Seidel-Morgenstern vom Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik). Hinzu kommen die Tübinger Firma EMC microcollections (Geschäftsführer Prof. Karl-Heinz Wiesmüller), Prof. Kai Sundmacher vom Magdeburger Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme sowie Prof. Stefan Laufer vom Tübinger Lehrstuhl für Pharmazeutische/Medizinische Chemie.

Neue Trennmedien, optimale Wirkstoffe

Aufreinigung biopharmazeutischer Proteine mit Chromatographiesäule. Dieser Prozessschritt ist extrem aufwändig. © ratiopharm
Aus Sicht der Merckle Biotec, deren Geschäftsführer Dr. Hermann Allgaier zu den Mitinitiatoren des Downstream-Förderprogramms des BMBF gehört, verfolgt das Verbundprojekt mehrere Ziele: Zum einen die Entwicklung neuartiger Trennmedien zur besseren Aufreinigung biopharmazeutischer Produkte.
Zum anderen sollen Wirkstoffe so aufgereinigt werden, dass sie ihre optimale Wirksamkeit besitzen, erläutert Dr. Heinz Rotering, Projektverantwortlicher bei Merckle Biotec.

Schließlich werden allgemeine Kenntnisse dieser Aufreinigungsmethoden an die Studenten in Magdeburg weitergegeben, denn das Downstream Processing spielte in der universitären Forschung und Lehre bislang eine eher untergeordnete Rolle.

Sialinsäuren im Fokus

Sialinsäuren (S) sitzen an exponierter Stelle, sind wie Antennen - hier das Beispiel des Blutverdünnungsmittels Epo -, die maßgeblichen Einfluss auf die Wirkung eines Medikaments haben. © Merckle Biotec

Rekombinante Humanproteine liegen als chemisch genau definierte Polypeptidketten vor. Bei Biopharmazeutika der zweiten Generation wie Antikörpern oder Erythropoetin kommen noch heterogene Zuckerketten hinzu, die die Halbwertszeit eines Proteins bestimmen und zu Teilen auch dessen Wirksamkeit.

Im Fokus des Verbundprojektes stehen Sialinsäuren, natürliche Bestandteile von Glykoproteinen. Von diesen Zuckerresten weiß man aus der Forschung, dass sie die Wirksamkeit eines Proteins erheblich beeinflussen. Enthalten die Zuckerreste der Wirkstoffe wenige oder gar keine Sialinsäuren, kann sich das negativ auf die Wirksamkeit des Präparates auswirken, erläutert Dr. Heinz Rotering.

Herkömmliche Rettungsversuche unzureichend

Die Verbundpartner wollen Trennmedien entwickeln, die diese hochaktiven Moleküle verlustfrei in den nächsten Aufreinigungsschritt hinüberretten. Herkömmliche Trennmedien leisten dies nur in beschränktem Maße, sagt Projektkoordinator Dr. Heinz Rotering.

Das chromatographische Ionenaustauschverfahren trennt zwar die Proteine nach ihrer Ladung, aber die Ladung im rekombinanten Protein werde nicht nur von den endständigen, negativ geladenen Sialinsäuren, sondern auch von Ladungen der Polypeptidkette und eventuell anderer Reste bestimmt. Das Verfahren erfasst die wertvollen Sialinsäuren daher nur indirekt.

Versuche, die Ionenaustausch-Chromatographie zu optimieren, berichtet Rotering, hätten meistens nicht den erhofften Erfolg gebracht. Weitere Aufreinigungsschritte waren nötig, um zu hochsialierten Molekülen zu gelangen. Die Folge: mehr Zeit und Kosten, Todfeinde jeder wirtschaftlichen Unternehmung.

Da an einem Proteinmolekül mehr als zehn Sialinsäurereste gebunden sein können, erhoffen sich die Verbundpartner mit Hilfe eines spezifischen Selektionsverfahrens außerdem ein weniger heterogenes Gemisch von Subformen des Proteins, ein „definierteres“ Molekül.

Verfahren auch für Impfstoffantigene

Das zu entwickelnde Verfahren betrifft neben der Aufreinigung von rekombinanten Glykoproteinen auch die Gewinnung von wirksamen Bestandteilen eines Impfstoffs, das heißt von Impfstoffantigenen.
Es ist beispielsweise bekannt, dass ein Oberflächenprotein des Influenzavirus, also ein mögliches Impfstoffantigen, bei seinem Eindringen in einen lebenden Organismus an sialinsäuretragende Glykoproteine auf der Oberfläche von Epithelzellen bindet und damit dem Virus das Eindringen in die Zellen ermöglicht.

Gesucht: Sialinsäure-Fänger

Ziel des Verbundprojektes ist es, die Aufreinigung des Proteins mit den wertvollen Sialinsäuren, am besten noch nach deren Konzentration zu etablieren. © Merckle Biotec

Für die affinitätschromatographische Reinigung oben genannter Proteine sind Liganden notwendig, die diese Sialinsäuren (und damit das rekombinante Protein oder das virale Antigen) „fangen“. Diesen Part übernimmt die Tübinger EMC, deren Peptidbibliotheken auf mögliche sialinsäurebindende Liganden durchkämmt werden. Die „Treffer“ werden in ausreichender Menge hergestellt, so dass größere Chromatographie-Säulen für Aufreinigungsversuche „gepackt“ werden können.

Merckle Biotec stellt gereinigte rekombinante Proteine sowie deren Vorstufen in ausreichender Menge für das Screening, die anschließende Validierung der „Molekülfänger“ und für Downstream-Versuche an der Magdeburger Universität zur Verfügung. Zum Einsatz kommt das wertvolle Testmaterial auch, wenn geklärt wird, in welchem Aufreinigungsschritt sich das Trennverfahren optimal einsetzen lässt. Vom Dessauer Impfstoffhersteller IDT Biologika GmbH werden inaktivierte Influenza-Viren für das Projekt zur Verfügung gestellt. Neben Schweineinfluenza-Viren werden dabei vor allem auch aktuelle Humaninfluenza-Viren und modifizierte Stämme des Vogelgrippe-Virus in Zellkulturen hergestellt.

Das mit insgesamt 1,2 Mio. Euro geförderte Verbundprojekt hat seine Arbeit Anfang des Jahres aufgenommen und eine Laufzeit von drei Jahren. Erste Erfolge zeichnen sich ab. So habe das Liganden-Screening bereits erste Treffer erzielt. Ob sich diese aber tatsächlich als Sialinsäurefänger eignen, müssen weitere Analysen zeigen.

Pragmatische Suche nach Liganden bringen erste Erfolge

Die Liganden-Fahndung verläuft unter pragmatischen Gesichtspunkten: Getestet wird, was schon bekannt ist, und „gefischt“ wird in Beständen mit einer hohen Zahl möglicher Kandidaten. Ganz oben auf der „Fahndungsliste“ stehen Moleküle, die möglichst alle Bindungsstellen (Antennen) mit Sialinsäure erkennen können. Damit, so das Idealziel, könnten sich womöglich die Präparate nach der Belegung mit Sialinsäure auftrennen lassen.

Die Kandidatensuche erstreckt sich auf synthetische Peptide, die der Tübinger Industriepartner EMC microcollections beisteuert. Aus einer rund zwei Millionen Einzelkomponenten umfassenden Peptid-Zufallsbibliothek isoliert das Tübinger Uni-Institut solche Peptide, die gebundene Sialinsäuren erkennen können.
Darüber hinaus werden die zahlreichen Publikationen zu sialinsäurebindenden Proteinen durchforstet. Das Tübinger Unternehmen, berichtet Rotering, habe über diesen Weg für die Uni Magdeburg bereits 30 aussichtsreiche Peptide synthetisieren können.

Strukturanaloge mit Molecular Modelling

Am dortigen Institut für Bioprozesstechnik testen Mitarbeiter der Arbeitsgruppe des Biotechnologen Prof. Udo Reichl, ob diese Peptide spezifisch an sialinsäurehaltige Proteine binden. Sind die Liganden validiert und stehen eventuell mit Hilfe von Molecular Modelling entwickelte Strukturanaloge bereit, können die neuartigen Trennmaterialien entwickelt werden. Damit starten die Optimierungsversuche, die mit der Integration des neuen Aufreinigungsverfahrens in die Prozesskette enden.

Auf dem Weg zum idealen Biotech-Arzneimittel will man die nachträgliche Optimierung der Reinigung vermeiden

Sind die Projektpartner erfolgreich, ließen sich diejenigen Aufreinigungsschritte einsparen, mit denen man bisher nachträglich den Gehalt an hochaktiven Sialinsäuren optimiert hat. Denselben positiven Effekt erhofft man sich auch für die Impfstoffherstellung - die möglichst zielgerichtete Isolierung des Influenzavirus aus der Kulturbrühe.

Zur wirtschaftlich zählbaren Ersparnis von Geld und Zeit käme noch ein weiterer Effekt hinzu. Denn mit einem „definierteren“, weniger heterogenen Präparat, so formuliert es Heinz Rotering, wäre man dem „idealen biotechnologischen Arzneimittel“ wieder einen Schritt näher gekommen.

Denkbar wäre es, durch die Anwendung des neuartigen Trennverfahren auch die Sialylierung des Wirkstoffs in der Zelle zu untersuchen und danach gezielt zu beeinflussen. Denn die neuen Liganden ließen sich nicht nur präparativ, sondern auch zur schnellen analytischen Trennung benützen. Durch die Kenntnis des Einflusses von Kultivierungsparametern, Medien oder Zellklonen auf die Belegung der Proteine mit Sialinsäure könnten die Herstellungsverfahren für biotechnologische Produkte auf früher Stufe gezielt optimiert werden.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/moeglichst-viele-wertvolle-anhaengsel-behalten