Anwendung von Enzymen in der Arzneimittelherstellung

Biokatalyse ist eine grüne Technologie, und die Lebenszyklusanalyse zeigt, dass die Verwendung rekombinanter Technologien eine wesentliche Rolle bei der Maximierung des Nachhaltigkeitsvorteils eines biokatalytischen Prozesses im Vergleich zu einem traditionellen chemischen Prozess spielt. Eine erhebliche Anzahl von auf dem Markt befindlichen Arzneimitteln enthält aktive pharmazeutische Inhaltsstoffe, die teilweise unter Verwendung von Biokatalyse als Schlüsseltechnologie hergestellt werden. Die Nutzung der Biokatalyse wächst aufgrund signifikanter Fortschritte in Technologien zur Enzymentdeckung, -versorgung und -verbesserung sowie eines erhöhten Fokus auf Anwendungen für chirale Arzneimittel und grüne Chemie. Tatsächlich enthalten bereits eine relativ große Anzahl von Arzneimitteln, die auf dem Markt sind, Zwischenprodukte, die durch Biokatalyse hergestellt wurden. Eine Explosion in der Anzahl und den Mengen von Enzymen, die dem synthetischen organischen Chemiker zur Verfügung stehen, hat die Biokatalyse zu einer zunehmend attraktiven und praktikablen Herstellungsoption gemacht.

Enzymquelle, Qualität und Spezifikation

Rekombinant überexprimierte (in höheren Konzentrationen als in nativen Systemen produzierte) Enzyme werden in der pharmazeutischen Synthese anstelle von natürlichen Enzymen verwendet. Dies senkt die Kosten für Biokatalysatoren, maximiert die Selektivität und Effizienz und erhöht die Standardisierung und Versorgungssicherheit im Vergleich zu Enzymen, die aus natürlichen Quellen gewonnen werden. Bei der Sicherheitsbewertung von Enzympräparaten für die Lebensmittelindustrie wird das toxikologische Potenzial des Produktionsstamms als primäre Sorge betrachtet, und diese Sorge bezieht sich auf die potenzielle Synthese von oral aktiven Toxinen durch den Produktionsstamm. Das toxikologische Potenzial von Produktionsstämmen kann durch die Etablierung einer sicheren Stammlinie verwaltet werden, die die Verwendung von gründlich charakterisierten, nicht-pathogenen und nicht-toxikologischen Mikroorganismen umfasst, die eine Geschichte der sicheren Verwendung als Ausgangspunkt für die Erzeugung verbesserter Stämme haben. Bei der Festlegung einer Spezifikation für einen Biokatalysator kann ein Verständnis der Reinheit des Enzympräparats in Bezug auf andere Proteine, die katalytisch aktiv sein können, erforderlich sein. Kleine Änderungen in der Proteinsequenz um das N-Terminus können zu Mischungen von eng verwandten Enzymen mit unterschiedlichen katalytischen Aktivitäten führen.

Verarbeitungsprobleme

Im Hinblick auf die Verarbeitung können neben dem Enzym auch andere Zusatzstoffe in Biotransformationen verwendet werden. Andere Materialien, die typischerweise hinzugefügt oder eingeführt werden, um Biotransformationsreaktionen zu ermöglichen, sind im Allgemeinen harmlos, einschließlich Cofaktoren wie Nicotinamidadenindinukleotid und entsprechendes Phosphat (NADH, NADPH) sowie Pyridoxalphosphat und andere Materialien wie Glukose und Puffersalze. Metallionen werden von einigen Enzymen benötigt und können entweder separat oder als Teil des Biokatalysators zu Biotransformationsreaktionen hinzugefügt werden. Daher müssen diese Metallcofaktoren, zu denen Kupfer, Eisen, Mangan, Magnesium, Molybdän, Nickel, Selen und Zink gehören können, überwacht werden, um ihr Schicksal zu bestimmen.

Im Hinblick auf die Lagerung und Wiederverwendung von Biokatalysatoren – Enzymen, ganzen Zellen und verwandten Präparaten – müssen diese unter Bedingungen gelagert werden, die bekannt sind, um die Enzymaktivität zu erhalten. Wenn sie kalt oder gefroren gelagert werden, muss beim Hochskalieren besondere Sorgfalt walten, da die Aufwärm- und Haltezeiten erheblich von denen im Labor oder in der Pilotanlage abweichen können und die Längen der Gefrier-Tau-Zyklen die Leistung des Biokatalysators beeinflussen können. Die Auswirkungen längerer Zykluszeiten auf die Enzymaktivität müssen bekannt sein, bevor eine Charge Biokatalysator in eine Reaktion gegeben wird.

Rückstände in API und Strategien zur Verwaltung von Verunreinigungen

Potenzielle Verunreinigungen, die mit kleinen Molekül-APIs verbunden sind, die unter Verwendung von Enzymen hergestellt werden, umfassen die Enzyme selbst, andere Wirtszellproteine, DNA, Endotoxine, Zellwandreste und Antibiotika, die aus der Fermentation und der nachgelagerten Verarbeitung des Biokatalysators stammen. Der Abbau dieser potenziellen Verunreinigungen kann zur Bildung zusätzlicher Verunreinigungen wie Peptiden, Aminosäuren und Polynukleotiden führen. Die Denaturierung biologischer Moleküle führt typischerweise zu einer Fällung und bietet daher eine Möglichkeit zur Entfernung durch physikalische Methoden. Proteine werden durch eine Vielzahl von Behandlungen denaturiert, einschließlich organischer Lösungsmittel, starker Säuren oder Basen, Salze und Wärme. DNA kann ebenfalls durch Behandlung mit organischen Lösungsmitteln ausgefällt und entfernt werden. Die Filtration ist eine nützliche Technik zur Entfernung biologischer Materialien, die ausgefällt wurden. Die Filtration ist auch nützlich zur Entfernung von hochmolekularen Materialien, die in Lösung sind.

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.