Einsatz von Enzymen in der Arzneimittelherstellung

Anwendung von Enzymen in der Arzneimittelherstellung

Biokatalyse ist eine umweltfreundliche Technologie, und Lebenszyklusanalysen zeigen, dass der Einsatz rekombinanter Technologien einen wesentlichen Beitrag dazu leistet, den Nachhaltigkeitsnutzen eines biokatalysierten Prozesses gegenüber einem traditionellen chemischen Prozess zu maximieren. Eine beträchtliche Anzahl zugelassener Arzneimittel enthält Wirkstoffe (Active Pharmaceutical Ingredients, API), deren Herstellung teilweise unter Einsatz der Biokatalyse als Schlüsseltechnologie erfolgt. Die Nutzung der Biokatalyse nimmt zu, bedingt durch erhebliche Fortschritte bei Technologien zur Enzym-Identifizierung, -Bereitstellung und -Optimierung sowie durch einen verstärkten Fokus auf Anwendungen für chirale Arzneistoffe und Green Chemistry. Tatsächlich enthält bereits eine relativ große Zahl der am Markt befindlichen Arzneimittel Zwischenprodukte, die mittels Biokatalyse hergestellt wurden. Die stark gestiegene Anzahl und Verfügbarkeit von Enzymen für die synthetische organische Chemie hat die Biokatalyse zu einer zunehmend attraktiven und praktikablen Herstellungsoption gemacht.

Enzymquelle, Qualität und Spezifikation

In der pharmazeutischen Synthese werden rekombinant überexprimierte (in höheren Konzentrationen als in nativen Systemen produzierte) Enzyme anstelle natürlicher Enzyme eingesetzt. Dies senkt die Kosten des Biokatalysators, maximiert Selektivität und Effizienz und erhöht Standardisierung sowie Versorgungssicherheit im Vergleich zu Enzymen aus natürlichen Quellen. Bei der Sicherheitsbewertung von Enzympräparaten für die Lebensmittelindustrie gilt das toxikologische Potenzial des Produktionsstamms als primäres Risiko; dieses bezieht sich auf die potenzielle Synthese oral wirksamer Toxine durch den Produktionsstamm. Das toxikologische Potenzial von Produktionsstämmen kann durch die Etablierung einer sicheren Stamm-Linie (safe strain lineage) gesteuert werden; dies umfasst die Verwendung umfassend charakterisierter, nicht pathogener und nicht toxikologischer Mikroorganismen mit nachgewiesener sicherer Anwendungshistorie als Ausgangspunkt für die Generierung verbesserter Stämme. Bei der Festlegung einer Spezifikation für einen Biokatalysator kann ein Verständnis der Reinheit der Enzymzubereitung im Hinblick auf andere Proteine erforderlich sein, die katalytisch aktiv sein können. Bereits geringe Änderungen in der Proteinsequenz im Bereich des N‑Terminus können zu Gemischen eng verwandter Enzyme mit unterschiedlichen katalytischen Aktivitäten führen.

Prozessbezogene Aspekte

Im Hinblick auf die Prozessführung können neben dem Enzym weitere Additive in Biotransformationen eingesetzt werden. Weitere Stoffe, die typischerweise zugesetzt oder eingebracht werden, um Biotransformationsreaktionen zu ermöglichen, sind im Allgemeinen unbedenklich; hierzu zählen Kofaktoren wie Nicotinamidadenindinukleotid und das entsprechende Phosphat (NADH, NADPH) sowie Pyridoxalphosphat, und weitere Stoffe wie Glukose und Puffersalze. Einige Enzyme benötigen Metallionen, die Biotransformationsreaktionen separat oder als Bestandteil des Biokatalysators zugesetzt werden können. Daher kann es erforderlich sein, diese Metall-Kofaktoren – darunter Kupfer, Eisen, Mangan, Magnesium, Molybdän, Nickel, Selen und Zink – zu überwachen, um deren Verbleib zu bestimmen.

Bezüglich Lagerung und Wiederverwendung von Biokatalysatoren gilt: Enzyme, Ganzzellen und verwandte Präparationen müssen unter Bedingungen gelagert werden, von denen bekannt ist, dass sie die Enzymaktivität erhalten. Bei gekühlter oder gefrorener Lagerung ist beim Scale-up besondere Sorgfalt erforderlich, da Aufwärm- und Haltezeiten erheblich von denen im Labor oder in der Pilotanlage abweichen können und die Dauer von Gefrier‑Auftau‑Zyklen die Leistungsfähigkeit des Biokatalysators beeinflussen kann. Der Einfluss längerer Zykluszeiten auf die Enzymaktivität muss bekannt sein, bevor eine Charge Biokatalysator in eine Reaktion eingebracht wird.

Rückstände im API und Strategien zum Management von Verunreinigungen

Potenzielle Verunreinigungen im Zusammenhang mit niedermolekularen APIs, die unter Einsatz von Enzymen hergestellt werden, umfassen die Enzyme selbst, weitere Wirtszellproteine, DNA, Endotoxine, Zellwandfragmente sowie Antibiotika aus der Fermentation und der Downstream‑Aufarbeitung des Biokatalysators. Der Abbau dieser potenziellen Verunreinigungen kann zur Bildung zusätzlicher Verunreinigungen wie Peptiden, Aminosäuren und Polynukleotiden führen. Die Denaturierung biologischer Moleküle führt typischerweise zu Ausfällung und bietet damit eine Möglichkeit zur Entfernung mittels physikalischer Verfahren. Proteine werden durch verschiedene Behandlungen denaturiert, darunter organische Lösungsmittel, starke Säuren oder Basen, Salze und Wärme. DNA kann ebenfalls durch Behandlung mit organischen Lösungsmitteln ausgefällt und entfernt werden. Filtration ist eine geeignete Technik zur Entfernung ausgefällter biologischer Materialien. Filtration ist zudem nützlich zur Entfernung hochmolekularer Stoffe, die in Lösung vorliegen.

Referenz

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Wells A S, Finch G L, Michels P C, et al. Use of Enzymes in the Manufacture of Active Pharmaceutical Ingredients—A Science and Safety-Based Approach To Ensure Patient Safety and Drug Quality [J]. Organic Process Research & Development, 2017, 16(12):1986-1993.