Anwendung von Enzymen in der Arzneimittelherstellung

Application of Enzymes in Drug Manufacturing

Biokatalyse ist eine grüne Technologie, und Lebenszyklusanalysen zeigen, dass der Einsatz rekombinanter Technologien eine entscheidende Rolle dabei spielt, den Nachhaltigkeitsvorteil eines biokatalysierten Prozesses im Vergleich zu einem traditionellen chemischen Prozess zu maximieren. Eine bedeutende Anzahl vermarkteter Arzneimittel enthält Wirkstoffe, die teilweise unter Verwendung der Biokatalyse als Schlüsseltechnologie hergestellt werden. Die Nutzung der Biokatalyse nimmt zu, bedingt durch bedeutende Fortschritte in Technologien zur Enzymentdeckung, -bereitstellung und -verbesserung sowie durch einen verstärkten Fokus auf Anwendungen für chirale Arzneimittel und grüne Chemie. Tatsächlich enthalten bereits relativ viele auf dem Markt befindliche Arzneimittel Zwischenprodukte, die durch Biokatalyse hergestellt wurden. Die explosionsartige Zunahme der Anzahl und Menge verfügbarer Enzyme für den synthetisch-organischen Chemiker hat die Biokatalyse zu einer immer attraktiveren und praktikableren Herstellungsoption gemacht.

Enzymquelle, Qualität und Spezifikation

Rekombinant überexprimierte (in höheren Konzentrationen als in nativen Systemen produzierte) Enzyme werden in der pharmazeutischen Synthese anstelle natürlicher Enzyme verwendet. Dies senkt die Kosten des Biokatalysators, maximiert Selektivität und Effizienz und erhöht die Standardisierung und Versorgungssicherheit im Vergleich zu aus natürlichen Quellen gewonnenen Enzymen. Bei der Sicherheitsbewertung von Enzympräparaten für die Lebensmittelindustrie wird das toxikologische Potenzial des Produktionsstamms als Hauptanliegen betrachtet, wobei sich diese Sorge auf die potenzielle Synthese oral aktiver Toxine durch den Produktionsstamm bezieht. Das toxikologische Potenzial von Produktionsstämmen kann durch die Etablierung einer sicheren Stammlinie kontrolliert werden, was die Verwendung gründlich charakterisierter, nicht-pathogener und nicht-toxikologischer Mikroorganismen mit einer sicheren Nutzungsgeschichte als Ausgangspunkt für die Entwicklung verbesserter Stämme beinhaltet. Bei der Festlegung einer Spezifikation für einen Biokatalysator kann es erforderlich sein, die Reinheit des Enzympräparats in Bezug auf andere möglicherweise katalytisch aktive Proteine zu verstehen. Kleine Veränderungen in der Proteinsequenz um das N-Terminus können zu Mischungen eng verwandter Enzyme mit unterschiedlichen katalytischen Aktivitäten führen.

Verarbeitungsprobleme

Hinsichtlich der Verarbeitung können neben dem Enzym auch andere Zusatzstoffe bei Biotransformationen eingesetzt werden. Weitere Materialien, die typischerweise hinzugefügt oder eingeführt werden, um Biotransformationsreaktionen zu ermöglichen, sind im Allgemeinen unbedenklich, darunter Kofaktoren wie Nicotinamidadenindinukleotid und das entsprechende Phosphat (NADH, NADPH) sowie Pyridoxalphosphat und andere Stoffe wie Glukose und Puffersalze. Einige Enzyme benötigen Metallionen, die den Biotransformationsreaktionen separat oder als Teil des Biokatalysators zugesetzt werden können. Daher müssen diese Metallkofaktoren, zu denen Kupfer, Eisen, Mangan, Magnesium, Molybdän, Nickel, Selen und Zink gehören können, überwacht werden, um ihr Schicksal zu bestimmen.

Hinsichtlich Lagerung und Wiederverwendung von Biokatalysatoren – Enzyme, ganze Zellen und verwandte Präparate müssen unter Bedingungen gelagert werden, die bekanntermaßen die Enzymaktivität erhalten. Bei gekühlter oder gefrorener Lagerung ist beim Hochskalieren besondere Sorgfalt geboten, da Aufwärm- und Haltezeiten erheblich von denen im Labor oder Pilotmaßstab abweichen können und die Länge der Gefrier-Auftau-Zyklen die Leistung des Biokatalysators beeinflussen kann. Die Auswirkung längerer Zykluszeiten auf die Enzymaktivität muss bekannt sein, bevor eine Charge Biokatalysator einer Reaktion zugegeben wird.

Rückstände im API und Strategien zum Umgang mit Verunreinigungen

Potenzielle Verunreinigungen, die mit kleinen Molekül-APIs, die unter Verwendung von Enzymen hergestellt werden, verbunden sind, 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 zur Ausfällung und bietet somit eine Möglichkeit zur Entfernung durch physikalische Methoden. Proteine werden durch verschiedene Behandlungen denaturiert, darunter organische Lösungsmittel, starke Säuren oder Basen, Salze und Hitze. DNA kann ebenfalls durch Behandlung mit organischen Lösungsmitteln ausgefällt und entfernt werden. Filtration ist eine nützliche Technik zur Entfernung ausgefällter biologischer Materialien. Filtration eignet sich auch zur Entfernung von hochmolekularen Stoffen, die in Lösung sind.

Referenz

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Wells A S, Finch G L, Michels P C, et al. Einsatz von Enzymen bei der Herstellung von Wirkstoffen – Ein wissenschafts- und sicherheitsbasierter Ansatz zur Gewährleistung der Patientensicherheit und Arzneimittelqualität [J]. Organic Process Research & Development, 2017, 16(12):1986-1993.