Die in dieser Dissertation durchgeführten Untersuchungen liefern einen Beitrag im Bereich der biopharmazeutischen Prozessentwicklung und Produktion, im Speziellen für die chromatographische Aufreinigung. Bedingt durch die weltweite SARS-CoV-2 Pandemie stand die biopharmazeutische Industrie im Mittelpunkt des Medieninteresses. Dies führte zu einer öffentlichen Diskussion der Entwicklung und Herstellung von biopharmazeutischen Produkten. Aufgrund des dringlich benötigten Impfstoffes sind auch die benötigten Prozessentwicklungszeiten dieses erörtert worden. Die schnelle Bereitstellung eines wirksamen Arzneimittels bzw. ... mehrImpfstoffes unter Einhaltung der behördlichen Anforderungen erfordert eine modernisierte und effizientere Entwicklung. Hierbei birgt eine einseitige Fokussierung auf die reine Reduktion der Entwicklungszeit eines Prozesses jedoch Nachteile und Risiken. Die Effizienzsteigerungspotentiale ergeben sich vor allem aus Wissensmanagement bei der Übertragung von bekannten Prozessentwicklungen wodurch Neuentwicklungen durch vorhandenes Wissen beschleunigt werden können. Des Weiteren besteht das Risiko bei eine reinen Zeitfokussierung, dass neuer/alternativer Herstellungsverfahren vernachlässigt werden und die langfristige Wettbewerbsfähigkeit nicht gegeben ist.
Im Allgemeinen ist der pharmazeutische Aufreinigungsprozess in den vorgelagerten Upstream- (USP) und den daran angeschlossenen Downstream Prozess (DSP) unterteilt. Der USP verfolgt den optimalen Zellklon bzw. die optimalen Zellproduktionsbedingungen, wodurch eine stabile und hohe Produktivität erreicht wird. Im Gegensatz konzentriert sich das DSP auf die Produkt- und die Verunreinigungsprofile mit dem Ziel, eine hohe Reinheit und Ausbeute des Produktes zu erhalten. Aufgrund des hohen Standardisierungsgrades und der verfügbaren Informationen eignet sich die Herstellung von monoklonalen Antikörpern als Beispiel für einen Plattformprozess. Dieser Prozess umfasst im UPS die Vorbereitung von Kulturen und Zellen sowie die Herstellung des Wirkstoffes in einem Fermenter. Anschließend erfolgt die Aufreinigung des Produktes im DSP durch die Zellabtrennung, zwei bis drei Chromatographieschritte, Virusinaktivierung und einen eventuellen Pufferaustausch. Dem angeschlossen folgt die Virus- und Sterilfiltration in Vorbereitung auf die Abfüllung.
Das derzeitige Verfahren in der chromatographischen Prozessentwicklung ermöglicht den Maßstabstransfer vom Labor zur Produktion durch verschiedene Ansätze. Diese Ansätze beruhen auf experimentellen Informationen, Expertenwissen sowie mechanistischer und/oder statistischer Modellierung. Die Prozessentwicklung gliedert sich in eine erste statische Untersuchung, eine detailliertere dynamische Leistungsuntersuchung und Experimente. Das grundsätzliche Ziel ist eine erfolgreiche Ergebnisübertragung in den Produktionsmaßstab. In frühen Entwicklungsstadien stehen der Prozessentwicklung meist nur sehr geringe Mengen des potenziellen Wirkstoffes zur Verfügung. Dementsprechend werden die statischen Untersuchungen entweder manuell oder durch robotergestützte Pipettierschritte im Kleinstmaßstab durchgeführt. Dem angeschlossen werden in Performance-Untersuchungen die ersten dynamischen Effekte ermittelt, typischerweise in automatisierten Robotersäulen im Mikrolitermaßstab. Bei ausreichender Verfügbarkeit werden detaillierte Experimente im Milliliter-Maßstab mit Flüssigchromatographie-Systemen im Labormaßstab durchgeführt. Die Laborsysteme weisen bereits einen mit der Produktion vergleichbaren Automatisierungsgrad auf. Dementsprechend bieten die detaillierten Experimente in der Regel die Grundlage für den Transfer in den Pilot- oder Produktionsmaßstab.
In aktuellen Studien wird der Entwicklungsprozess häufig durch mechanistische Modellierung (MM) unterstützt. Das Ziel dieser Arbeiten ist eine theoretische Repräsentation des betrachteten Schrittes unter Bildung eines digitalen Zwillings. MM bietet die Möglichkeit, zusätzliche Informationen über Eingangsstoffe, stationäre Phasen, Geräte und Prozessführungen zu generieren. Auf diese Weise könnte MM die heute bekannten Prozessentwicklungsansätze miteinander verbinden, zusammenfassen und eine lebende Prozessbibliothek schaffen. Eine solche Bibliothek könnte das Wissen aus verschiedenen Prozessen bündeln und auf neue Fragestellung übertragen. Durch eine solche Transferleistung würden sich Zeit- und Kostenaufwand reduzieren.
Die Entwicklung einer lebendigen Prozessbibliothek erfordert gleiche Untersuchungsansätze für alle stationären Phasen. Aufgrund der historischen Entwicklung besteht ein Ungleichgewicht zwischen partikulären/harzbasierter basiert Chromatographie und anderen stationären Phasen. Diese zumeist relativ neuen stationären Phasen werden nur selten für neue experimentelle Aufbauten, Prozessführungen und mechanistischen Modellierungsansätzen diskutiert.
In der vorliegenden Arbeit wird ein monoklonaler Antikörper-Aufreinigungsprozess zur Aggregatabtrennung untersucht. Hierbei wird zunächst die Angleichung der Prozessentwicklungsmethoden zwischen diffusiven harzbasierten- und konvektiven Membranadsorbern (MA) als stationäre Phasen angestrebt. Dafür wird zunächst ein Aufbau für ein Hochdurchsatz-Screening entwickelt und mittels mechanistischer Modellierung die Ausarbeitung eines digitalen Zwillings angestrebt.
In vier maßgeblichen Fallstudien werden die unterschiedlichen Prozessentwicklungsansätze für konvektive stationäre Phasen an jene der partikulären Chromatographie angeglichen. Hierbei werden folgende Bereiche untersucht: Bestimmung des Prozessparameterbereichs, Einbeziehung neuer Prozessführungen, Vergleichbarkeit unterschiedlicher stationärer Phasen und Skalierbarkeit. Für die Untersuchung konvektiver stationärer Phasen wie MA, welche typischerweise einen hohen Stofftransport und geringen Druckverlust im Modul aufweisen, wurde ein HTS Modul im Kleinstmaßstab für eine skalierbare Prozessentwicklung entwickelt. Die Untersuchung fokussierte sich auf die Entfernung von Aggregaten aus einer fermentierten monoklonalen Antikörperlösung.
Die erste Fallstudie untersucht die experimentelle Anwendung des entwickelten HTS-Aufbaus und
-Moduls. Hierbei werden der klassische Bindungs- und Elutionsmodus unter Variation des pH-Wertes und der Salzkonzentration angewendet. Dadurch lassen sich die Prozessfenster für die untersuchten Ionenaustausch-MA Sartobind® S und Q ermitteln. Des Weiteren wird mit Hilfe mechanistischer Modellbildung ein digitaler Zwilling erarbeitet. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigen den erfolgreichen HTS-Aufbau und den entwickelten digitalen Zwilling. Im Ergebnisvergleich mit einer flüssigchromatographiebasierten Systemauftrennung zeigte der digitale Zwilling eine Signalübereinstimmung von über 80%. Des Weiteren wird für eine Maßstabsübertragung eines 0.42 mL Moduls auf ein 800 mL Modul eine Vorhersagegenauigkeit der dynamischen Durchbruchskonzentration von 90 % erzielt.
Im Rahmen der Angleichung von konvektiven zu harzbasierten stationären Phasen ist in der zweiten Fallstudie die Abbildbarkeit von neuen Prozessführungen untersucht worden. Unterstützt durch mechanistische Modellierung wurden zwei verschiedene Trennungen auf kompetitive Adsorption untersucht. Darauf aufbauend wurde ein neuartiges HTS-Screeningmethode entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht die Bestimmung von Verdrängungseffekten durch kompetitive Adsorption und liefert Schlüsselgrößen zur Identifizierung dieser. Die Untersuchungsmethode wird Überladungs- und Elutionsverfahren (overload and elute mode, OBE) genannt und ebenfalls in der Aggregatabtrennung mit Sartobind® S untersucht. Basierend auf der im HTS angewandten OBE-Methode lassen sich sowohl klassische als auch dynamische Effekte bestimmen. Die Einführung des Verdrängungsidentifikators (displacement identifier, DI) ermöglicht eine Visualisierung von Verdrängungseffekten in einer Prozessparameterkarte. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden die Verdrängungseffekte in einem Recyclingexperiment angewendet. Dieses Recyclingexperiment weist durch die Ausnutzung der Verdrängungseffekte eine 45 % Reduktion der IgG- und 88 % höher Aggregatbindungskapazität im Vergleich mit einem einfachen FT-Prozess auf.
Die zuvor angeführten Arbeiten haben die Unterschiede zwischen harzbasierten und konvektiven stationären Phasen reduziert. Dementsprechend erfolgten in der dritten Fallstudie die Untersuchung und der Vergleich von unterschiedlichen stationären Phasen. Hierbei wird eine Strategie zur Bewertung verschiedener Kombinationen von stationären Phasen, deren Grundgerüsten und Liganden, vorgestellt. Diese Strategie gewährleistet für die Erstellung einer Lebenden Prozessentwicklungsbibliothek die Untersuchung und Auswahl von passenden stationären Phasen. In dieser Fallstudie werden entwickelte Strategien an neuartigen MA behandelt, welche verschiedene chromatographische Effekte kombinieren (Mixed Mode, MiMo). Die Strategie beinhaltet theoretische Überlegungen sowie Untersuchungen der optimalen stationären Phasen hinsichtlich ihrer Selektivität und Bindungskapazität. Anhand der theoretischen Überlegungen lässt sich der experimentelle Raum, die möglichen Kombinationen aus stationären Phasen, deren Grundgerüst und Liganden reduzieren. Dafür wird jeder potenzielle MiMo MA Kandidat auf sein Potential zur Reduktion von Aggregaten in einer mAb Lösung untersucht und mit der Leistung der harzbasierten stationären Phase Capto™ Adhere verglichen. Die vorgestellte Strategie reduziert in einem frühem Untersuchungszeitpunkt die Reduktion von drei auf zwei mögliche stationäre Phasen reduzieren. Unter Berücksichtigung des untersuchten Einflusses der Ionenkapazität lässt sich ein finaler Kandidat ermitteln. Hierbei zeigt der Kandidat eine um 2 bis 3 Membranvolumen höhere Bindungskapazität als die Referenz Capto™ Adhere. Unter Verwendung der vorgestellten Strategie und Einbindung in eine Lebende Prozessbibliothek lassen sich zeiteffizient optimale stationäre Phasen identifizieren.
Komplettiert wird die Arbeit in der letzten Fallstudie durch eine anwenderorientierte Maßstabsübertragung mittels mechanistischer Modellierung. Diese Arbeit beschreibt die typischen Modellierungsschritte mit Fokus auf der Maßstabsübertragung. Hierbei wird in der fluiddynamischen Beschreibung im Speziellen auf die Untersuchung und Optimierung von verschiedenen Modulen und deren Maßstabsübertragung eingegangen. Abweichend von der klassischen Isothermen-Parameterbestimmung werden historische HTS Daten verwendet, um die Isothermen-Parameter abzuschätzen. Dieses Vorgehen ermöglich in einem Lebenden Bibliotheksansatz die Inklusion von historischen Daten. Abgeschlossen wird die Fallstudie durch die Maßstabsübertrag eines axial durchströmten 0,46 mL HTS-Moduls zu einem 150 mL radial durchströmten Modul im Pilotmaßstab.
Abschließend liefert diese Arbeit ein Verfahren zur Optimierung der Prozessentwicklung. Die verschiedenen Ansätze der Prozessentwicklung können in einem Lebenden Bibliothekansatz zusammengeführt werden. Dieser Bibliothekansatz umfasst Expertenwissen, Experimente sowie statistische und mechanistische Modellierung. In diesem Bestreben wurden zwischen harzbasierten und konvektiven stationären Phasen gleiche Wettbewerbsbedingungen geschaffen. Diese Vergleichbarkeit ermöglicht eine direkte Auswahl der stationären Phasen für eine bestimmte Trennaufgabe. Die anwenderorientierte Maßstabsübertragung bietet einen Leitfaden, wie durch mechanistische Modellierung die unterschiedlichen Prozessentwicklungsansätze zusammengeführt werden können. In dieser Arbeit zeigt die mechanistische Modellierung, wie der Prozessentwicklungsprozess abgebildet, transferiert, konserviert und standardisiert werden kann. Dadurch entsteht ein kohärentes und übertragbares Verfahren zur Verfügung, wodurch die anstehenden Herausforderungen in der Prozessentwicklung überwunden werden können.
This thesis addresses the biopharmaceutical process development and production, particularly chromatographic unit operations. In the recent global SARS-CoV-2 pandemic, the biopharmaceutical industry was in the spotlight of media interest. As a result, the development and manufacturing of biopharmaceutical products were discussed broadly in the public sphere. Providing a potent vaccine or any other drug within a short timeframe and within the regulatory requirements urges the development to be streamlined from candidate screening to manufacturing. On the other hand, the shortened timescale raises the question of long-term competitiveness if alternative manufacturing processes are suppressed for the sake of speed. ... mehrMaintaining sustainable drug production with the new timelines requires a fundamental change in product and process development.
Generally, the manufacturing process is divided into upstream (USP) and downstream processing (DSP). The candidate screening and USP target the optimal cell clone and cell production conditions, respectively, to achieve stable and high product output. In contrast, DSP focuses on the product and impurity profile aiming for high purity and yield of the product. The production of monoclonal antibodies is suitable as an example process for a state-of-the-art platform process in pharmaceutical processing. In this process, USP incorporates culture and seed/cell preparation and production in a fermenter. Subsequently, the DSP comprises two to three chromatography steps, virus inactivation, possible buffer exchange, virus, and sterile filtration to prepare the final fill and finish.
The current chromatography process development (PD) procedure facilitates the scale transfer from laboratory to production by incorporating several tools. These tools are based on pure experimental information, prior knowledge, mechanistic and or statistic modeling. In addition, some or all tools are applied or partially applied in the overall PD procedure following the initial static screening, performance screening, and detailed experiments to achieve a successful scale-up. In the early stage of PD development, the amount of available material is limited, and the experiments are performed either manually or by robot-assisted pipetting steps. Thereafter, initial dynamic effects are investigated through performance screening typically applied in automated robotic columns in a microliter scale. Finally, detailed experiments are performed by applying benchtop systems on a milliliter scale. These detailed experiments are commonly the basis for the pilot or production scale-up, allowing production-comparable signals. In recent publications, mechanistic modeling(MM) often supports this development process, aiming for a digital twin of the development phase step investigated.1-6 MM delivers additional information containing different feed, stationary phase, device, and operation modes integrated. Thus, MM could connect and summarize today's available tools, enabling a living PD library and drastically reducing the timeline and costs.
The development of a living library urges a level-playing field for all stationary phases. Resin-based chromatography is exhaustedly investigated and described in the literature. However, other stationary phases, e.g., membrane adsorber, monolith, and fibers, are getting more adapted in process development. These relatively new stationary phases are rarely discussed in experimental set-ups, process modes, and mechanistic modeling approaches.
The present work applies the state-of-the-art monoclonal antibody aggregate removal process to achieve a level-playing field for convective stationary phases, here membrane adsorber (MA). Initially, a high throughput screening set-up is developed, employing mechanistic modeling to achieve a digital twin.
Four major case studies were performed with the aim of aligning high throughput screening (HTS) applications for MAs with those established for column chromatography: process parameter range determination, incorporation of new processing modes, comparison of different stationary phases, and scalability. In order to exploit the MA typically features, such as high mass transfer and low-pressure drop per device, an HTS scale-down device (SDD) for scalable PD was developed. Its applicability is confirmed for a monoclonal antibody aggregate removal step.
The first case study explores the experimental application of the SDD developed. It uses bind and elute mode and pH and salt concentration variations to obtain process operation windows for ion-exchange MAs Sartobind® S and Q. In the second case study, we successfully developed a mechanistic model based on parameters obtained from the SDD - HTS setup. The results proved to validate the use of the SDD developed for parameter estimation and thus model-based PD. Finally, the third case study shows the transferability and scalability of data from the SDD - HTS setup using both a direct scale factor and mechanistic modeling. Both approaches show good applicability with a deviation below 20% in predicting 10% dynamic breakthrough capacity and reliable scale-up from 0.42 mL to 800 mL.
In addition to aligning MA with the resin-based experimental set-up, competitive adsorption is investigated by evaluating new and existing processing modes. Here, a mechanistic model case study for the investigation of competitive adsorption was conducted for two different two-component solutions and confirmed prior evidence. With these outcomes, a novel HTS screening procedure was developed, including determining competitive adsorption-based displacement effects and key parameter identification. The screening procedure employing an overload bind and elute mode (OBE) is presented in a case study dealing with IgG aggregate removal in a typical monoclonal antibody purification step, applying a Sartobind® S membrane adsorber (MA). Based on a MA scale-down device, the OBE mode allows the determination of classical process parameters and dynamic effects, such as displacement effects. Competitive adsorption-based displacement effects are visualized by introducing a displacement identifier (DI), leading to a displacement process map. Based on this map, the approach is transferred to and confirmed by the OBE recycle experiments with 4.6 mL and 8.2 mL benchtop scale devices resulting in 45 % reduced IgG monomer, and 88 % increased HMWS binding capacities.
The previous investigations facilitated a level-playing field between resin and convective stationary phases. Accordingly, the third case study investigated and compared different stationary phases. Hereby, a strategy for evaluating different combinations of scaffolds, backbones, and ligands was introduced. This strategy ensures investigating and selecting suitable stationary phases for creating a living library in PD. The strategy was evaluated on novel mixed mode (MiMo) MA. In addition, the strategy includes theoretical considerations, investigation of optimal stationary phase selectivity, and binding capacity. Based on the theoretical considerations, the experimental space, the possible combination of scaffolds, their backbone, and ligands can be narrowed down. For this purpose, each potential MM membrane adsorber (MA) candidate is investigated in its high molecular weight species (HMWS) reduction potential for a given mAb feed stream and referenced to the performance of Capto™ Adhere. The presented strategy reduces the investigated stationary phases from three to two at an early study stage. In addition, a final candidate can be determined by accounting for the investigated influence of the ionic capacity. The strategy presented is supported by HTS investigation and confirmed by benchtop experiments. Finally, the identified candidate presents a binding capacity of 2-3 membrane volume (MV) higher than the reference Capto™ Adhere. When the here applied strategy is integrated into a living library format, optimal stationary phases can be identified time efficiently.
In the final case study, the work is complemented by an application-oriented mechanistic modeling scale transfer approach. In general, the applied modeling steps are presented from lab to production scale focusing on the scale transfer. The fluid dynamic investigation explicitly addresses the investigation and optimization of different chromatographic devices and their scale transfer. Deviation from the state-of-the-art isotherm parameter determination, historical HTS data is used to estimate apparent isotherm parameters. This approach allows the inclusion of historical data in a living library. The case study is completed by the scale transfer from a 0.46 mL small-scale device with axial fluid flow to a 150 mL pilot scale device with radial fluid flow.
To conclude, this work provides a methodology for an optimizing PD workflow. The different tools in PD are combined in a living library approach. This library approach includes prior knowledge, experimentation, statistical and mechanistic modeling. Initially, a level-playing field was established between resin- and convective stationary phases. Following this, the selection of stationary phases for a dedicated separation task was facilitated. Finally, the presented application-oriented scale transfer guides how MM can link the different PD approaches. In this work, MM presents its ability to map, transfer, preserve, and standardize PD workflow. Furthermore, a coherent and transferable methodology results, which can be applied to overcome the upcoming challenges in PD.
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