Produktlösungen für die Entwicklung von Biologika

Die Kenntnis zellulärer Prozesse ist wichtig für die Beantwortung zentraler Fragen in den Biowissenschaften und bei der Bekämpfung von Krankheiten. Bei der Zielauswahl geht es darum, ein biologisches Ziel (normalerweise ein Protein oder einen Rezeptor) zu identifizieren, das bei einem Krankheitsverlauf eine Schlüsselrolle spielt. Die Wahl des richtigen Ziels ist von grundlegender Bedeutung, da davon der Erfolg der nachfolgenden Arzneimittelentwicklung abhängt. Durch die Wahl des richtigen Ziels können Substanzen gezielt auf krankheitsrelevante Signalwege einwirken und unspezifische Effekte minimiert werden. Dadurch wird die Wirksamkeit des Arzneimittels verbessert und unerwünschte Nebenwirkungen werden vermieden. Beispielsweise ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Wirkstoff, der gezielt gegen ein krebsspezifisches Protein gerichtet ist, gesundes Gewebe schädigt, was die Patientensicherheit und die allgemeine Verträglichkeit verbessert. Die Auswahl eines geeigneten Ziels erhöht die Wahrscheinlichkeit eines therapeutischen Nutzens. 

Die isotherme Titrationskalorimetrie (Isothermal Titration Calorimetry, ITC) ist eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung molekularer Wechselwirkungen durch Messung der während Bindungsereignissen ausgetauschten Wärme. Durch die Quantifizierung der Wärme liefert die isotherme Titrationskalorimetrie Einblicke in die treibenden Kräfte hinter solchen Wechselwirkungen. Die Kenntnis der Art und Stärke der Wechselwirkung – ob hydrophob, elektrostatisch oder anderer Art – ist unerlässlich. Mit diesem Wissen lassen sich Wirkstoffe entwickeln, die aufgrund ihrer gezielten Einflussnahme auf bestimmte Punkte innerhalb von Signalwegen in der Zelle den gewünschten therapeutischen Effekt erzielen. 

Bei der dynamischen Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC) wird die während thermischer Übergänge, wie z. B. der Proteinauffaltung, absorbierte oder freigesetzte Wärme gemessen. Diese Technik ergänzt die isotherme Titrationskalorimetrie durch gezielte Charakterisierung der Stabilität und strukturellen Eigenschaften von Molekülen. Die Kenntnis der Stabilität von Zielmolekülen ist für die Wirkstoffentwicklung von entscheidender Bedeutung. Die dynamische Differenzkalorimetrie liefert Aufschluss über die Unterschiede zwischen Gesundheit und Krankheit und ermöglicht so die Entwicklung besserer Therapeutika. Die Kombination der Daten der isothermen Titrationskalorimetrie und der dynamischen Differenzkalorimetrie liefert ein umfassendes Bild der molekularen Wechselwirkungen. 

Eines der wichtigsten Ziele bei der Kandidatenauswahl besteht darin, eine effektive Bindung zwischen dem Wirkstoff und dem beabsichtigten Ziel sicherzustellen. Bindungsassays wie die isotherme Titrationskalorimetrie ermöglichen die Prüfung der Affinität einer Verbindung für ihr Ziel. Für die Wirksamkeit und Selektivität in vivo ist eine hohe Bindungsaffinität erforderlich. Die isotherme Titrationskalorimetrie misst auf besondere Weise die Interaktionswärme (q) und gibt Aufschluss über die thermodynamischen Kräfte durch Quantifizierung der Beiträge von Enthalpie (∆H) und Entropie (T∆S). Die Charakterisierung dieser Kräfte zeigt, ob die Bindungsinteraktion spezifisch oder anfällig für unerwünschte Effekte ist, und stellt sicher, dass die richtigen Kandidaten weiterentwickelt werden. Andere Bindungsassays, wie etwa die Oberflächenplasmonenresonanz (Surface Plasmon Resonance, SPR), sind auf die Bestimmung des Bindungskoeffizienten beschränkt, ermöglichen aber einen höheren Durchsatz. Die ausschließliche Analyse der Bindungsaffinität kann zur Auswahl nichtselektiver Kandidaten und damit eventuell zu Entwicklungsverzögerungen und höheren Kosten führen. 

Spätestens in der Phase der Rezepturentwicklung ist es unerlässlich, die Stabilität von Wirkstoffkandidaten zu erhöhen. Eine Stabilisierung biologischer Moleküle ist für In-vitro-Analysen und für die längere Lagerung, Herstellung und Verarbeitung notwendig. Bei biotherapeutischen Molekülen können unerwartete Strukturänderungen die Qualität und Sicherheit des Arzneimittels beeinträchtigen. Die primären stabilisierenden Kräfte für Biomoleküle in Lösung sind die nichtkovalenten Wechselwirkungen zwischen dem Biomolekül und seiner unmittelbaren Lösungsumgebung, was bedeutet, dass für die Stabilisierung von Biomolekülen Hilfsstoffe wie Salze, Detergenzien, Zucker oder Puffer erforderlich sind. Es ist wichtig zu verstehen, wie diese Hilfsstoffe die allgemeine Temperaturstabilität und mögliche Funktion eines Therapeutikums beeinflussen. Die dynamische Differenzkalorimetrie gilt als Gold-Standard zur Prüfung der Temperaturstabilität von Biomolekülen und funktioniert durch Messung der absorbierten oder freigesetzten Wärme während thermischer Übergänge, wie z. B. der Auffaltung von Proteinen. Die Nano-DSC ermöglicht die Charakterisierung der molekularen Stabilität verdünnter Biomoleküle in Lösung, was bei der Bewertung der Temperaturstabilität von Biomolekülen, insbesondere bei niedrigen Konzentrationen, besonders wichtig ist. 

Biologika werden immer häufiger subkutan angewendet, was konzentriertere Formulierungen erfordert. Immer mehr biologische Wirkstoffe werden als subkutane Injektion angewendet, was höher konzentrierte Formulierungen erfordert. Bei steigender Konzentration treten günstige intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Hilfsstoffen auf, was die Molekülstabilität verbessert. Dies verlangt aber auch die Prüfung der Temperaturstabilität bei den verschiedenen Dosierungskonzentrationen, um unerwartete Probleme während der Entwicklung oder in der klinischen Prüfung zu vermeiden. Die RS-dynamische Differenzkalorimetrie (Rapid Screening Differential Scanning Calorimeter, RS-DSC) ist ideal für die Prüfung der Temperaturstabilität bei hohen Dosierungskonzentrationen. Die RS-dynamische Differenzkalorimetrie macht eine Verdünnung überflüssig und kann bis zu 24 Proben gleichzeitig zu verarbeiten, wodurch der Formulierungsprozess beschleunigt wird. Höhere Konzentrationen können auch zu reversibler oder irreversibler Aggregation, Phasentrennung, Niederschlag und erhöhter Viskosität führen. Für die erfolgreiche subkutane Gabe sind Probenviskositäten im Bereich von 12 cP oder weniger bevorzugt. Normalerweise werden Hilfsstoffe zugegeben, um die Viskosität bei der Rezepturentwicklung zu reduzieren. Die zuverlässigste Methode zur Messung und Optimierung der Viskosität ist die Verwendung eines Rheometers zur Charakterisierung der Viskosität und des viskoelastischen Verhaltens der Formulierung. 

Gefriertrocknung bzw. Lyophilisierung ist in der pharmazeutischen Industrie heute ein Standardverfahren bei der Herstellung biologisch aktiver Substanzen. Lyophilisierung bietet mehrere Vorteile, darunter längere Haltbarkeit sowie einfachere Lagerung und Versand, aber es gibt auch Einschränkungen aufgrund der hohen Kapital- und Energiekosten sowie der langen Verarbeitungszeit. Darüber hinaus ist die Auswahl der Prozessparameter wie Zeit, Trocknungstemperatur, Druck (Vakuum) und Komponentenkonzentration für den Lyophilisierungsprozess eine Herausforderung. Diese Parameter müssen optimiert werden, um: (i) eine vollständige Wiederherstellung der Aktivität und vollständige Rekonstitution des oft labilen Arzneimittels, (ii) ein akzeptables Aussehen des gefriergetrockneten Produkts und (iii) eine gute Lagerstabilität zu erreichen.  

Dynamische Differenzkalorimetrie – Messungen, zum Beispiel der Glasübergangstemperatur (T_g’), werden häufig verwendet, um die Eigenschaften von Komponenten wie Wasser, Füllstoffen, Puffern und Arzneimitteln zu charakterisieren, die Gesamtkosten zu senken und durch Lyophilisierung eine hohe Produktqualität zu erreichen. Eine geringe Feuchtigkeit ist für die Stabilität unerlässlich, zu starkes Trocknen kann aber andererseits zum Schrumpfen des Produkts führen; hier werden ergänzende thermische Analysetechniken wie die thermogravimetrische Analyse verwendet, um den Restfeuchtigkeitsgehalt zu quantifizieren und die Prozessparameter zu optimieren.  

Proteinlösungen sind während verschiedener Prozesse außerdem Scherspannungen ausgesetzt, die sie anfällig für Struktur- und damit Funktionsänderungen machen. Wenn Lösungen beispielsweise gepumpt werden, um Fläschchen oder Spritzen zu befüllen, können während des Prozesses angewendete übermäßige Kräfte die Struktur des Proteins beeinträchtigen. Weitere Beispiele für Scherkräfte sind Schüttel- und Mischprozesse. Die Rheologie ist eine robuste Methode, um die Auswirkungen des Scherflusses auf Proteine zu untersuchen. Eine ausführliche Charakterisierung ermöglicht die Entwicklung von Herstellungsprozessen,
-bedingungen und -formulierungen für optimale Ausbeute und Stabilität.  

Nachdem die Formulierung eines Arzneimittels die ersten Tests bestanden hat, geht es weiter mit der Herstellung und der Qualitätskontrolle. Die Hersteller testen kritische Qualitätsmerkmale und ermitteln die kritischen Materialmerkmale, die während der gesamten Produktion des Medikaments und auf dem ganzen Weg bis hin zum Verbraucher stabil bleiben müssen. Mithilfe von Qualitätskontrolltests werden etwaige Abweichungen zwischen Chargen erkannt, und Fehlersuche und Ursachenanalyse in der Produktion unterstützen die Identifizierung von Problemen in dem Prozess. Wenn es darum geht sicherzustellen, dass keine Veränderungen der thermischen Stabilität/Struktur höherer Ordnung, der Viskosität eines injizierbaren Produkts oder des Glasübergangs und der Restfeuchtigkeit eines gefriergetrockneten Produkts stattfinden, hat TA Instruments die passende Lösung für Sie. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Herstellung und Qualitätskontrolle ist die Einhaltung gesetzlicher und branchenspezifischer Vorschriften. Durch Einhaltung der in 21 CFR Part 11 festgelegten Richtlinien können Unternehmen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit ihrer elektronischen Aufzeichnungen während des gesamten Lebenszyklus gewährleisten. Das optional erhältliche Guardian-Paket in der TRIOS und in der Nano Software nutzt standardmäßige IT-Sicherheitsmaßnahmen und -technologien auf spezielle Weise und stellt die kostengünstigste, datenbankfreie Lösung für Anwender dar, die 21 CFR Part 11 einhalten müssen.