Forschung

Die Fachübergreifenden Forschungsprojekte werden in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen des Institutes für Nano-und Biotechnologien (INB), dem auch unsere Labor angehört, realisiert.
Weitere Informationen und Projekte finden Sie direkt auf der Webseite des INB.

Modulare Bioproduktion Disposable und Kontinuierlich "MoBiDiK"

Ausgangslage, Innovationsidee
Für die Entwicklung von Biopharmaka ist die Bioprozesstechnik mitentscheidend. Da diese zukünftig mit patienten- und krankheitsspezifischen Wirkmechanismen entwickelt werden, sind deutlich schnellere, flexiblere und kosteneffizientere Produktionstechnologien und -strategien von Nöten. Die bedeutendste Substanzklasse der Biopharmaka stellen monoklonale Antikörper und die zugehörigen Antikörper-Nachfolger dar. Diese werden in einem grundsätzlich zweistufigen Prozess aus Upstream und Downstream gewonnen. Im Upstream erfolgen die Anzucht eines Produktionsstammes aus Zellbanken, die sukzessive Biomassevermehrung und die Expression des gewünschten Proteins durch Fermentation. Im Aufreinigungs- bzw. Downstream-Prozess wird das Zielprotein aus dem Fermenterüberstand durch eine Abfolge von Isolations-, Anreicherungs- und Reinigungsschritten auf höchste Reinheit gebracht und nach biochemischer Prüfung zur Formulierung des Endproduktes gebracht.

Innovationsiee und Projektziel
Hauptziel des Projektes „MoBiDiK“ ist es, einen Paradigmenwechsel in der Bioprozesstechnik herbeizuführen, um so spezifische Biologika schneller, flexibler und kosteneffizienter zu produzieren.  Dazu werden zukunftsweisende modulare, flexible und kontinuierliche Prozesstechnologien im Bereich der Biotechnologie erarbeitet. Zum Einsatz kommen hierbei erstmalig fast ausschließlich Single-use Technologien, um so den Prozessweg zu erleichtern und höchste Flexibilität zu gewähren.
Im Teil des Upstream-Prozesses arbeitet das Labor für Zellkulturtechnik an der Fermenter-Regelung über die Atmungsaktivität. Die geregelten Kultivierungen im Labormaßstab (bis 5L) finden sowohl in Glasbioreaktoren als auch in einem Einwegbioreaktor-System (CultibagRM Wave von Sartorius) statt. Dabei gibt die Atmungsaktivität neben der Zellzahl auch Auskunft über die Stoffwechsellage der Zellen und somit auch über Produktivität. Sodass bei einer Regelung konstante Kulturparameter, die für Zellkulturfermentationen von besonderer Bedeutung sind, eingehalten werden und die Kultur unter optimalen Bedingungen wächst. Dadurch steigt auch die Produktqualität. Es werden Regelungen von Fed-Batch-Prozessen zur Anzucht der Zellen mithilfe der Abgasanalytik gesteuert und geregelt. Desweiteren wird derzeit an der Regelung von kontinuierlichen Prozessen mit externen Zellabscheide Systemen gearbeitet die auch modular am Einwegbioreaktor eingesetzt werden können.     

 

Projektpartner
Partner innerhalb des Projektes „MoBiDiK“ sind Bayer Technology Services, Bayer Schering Pharma, PharmedArtis, HiTec Zang, INVITE, die RWTH Aachen und die TU Dortmund.

 

 

Projektleiter
Prof. Dr. Manfred Biselli
Institut für Nano- und Biotechnologien
Labor für Zellkulturtechnik
Heinrich-Mußmann-Strasse 1
52428 Jülich
Tel.: 0241/6009-53749
Fax: 0241/6009-53199

biselli(at)fh-aachen.de
http://www.inb.fh-aachen.de

 

Prozesskontrolle von Zellkulturen mittels Respirationsquotient – RQ-Control

Ausgangslage, Innovationsidee

Bei der Entwicklung neuer Medikamente nehmen sog. „Biopharmazeutika“ rasant an Bedeutung zu. Darunter versteht man insbesondere mit gentechnischen Methoden gewonnene (sog. rekombinante) therapeutische Proteine. Seit der Einführung des ersten rekombinanten Proteins, des Insulins im Jahr 1982, wurden bisher etwa 165 weitere Biopharmazeutika zugelassen. Während Insulin und andere Proteine mit relativ einfacher Struktur mit Mikroorganismen hergestellt werden, können sehr viel komplexere Proteine, wie z.B. Erythropoietin (EPO), Blutgerinnungsfaktor VIII oder therapeutische Antikörper nur mit Zellkulturprozessen hergestellt werden. Nur Zellkulturen besitzen die Möglichkeit, komplexe Kohlenhydratketten an Proteine anzuknüpfen, und nur durch diese korrekte „Glykosylierung“ ist die richtige pharmakologische Wirkung im Körper gewährleistet. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit sowohl der Kulturen als auch der produzierten Proteinwirkstoffe werden an Zellkulturfermentationen besonders hohe Ansprüche gestellt, insbesondere an die Kontrolle und optimierte Durchführung der Prozesse.

 

Handlungsbedarf, geplante Maßnahmen

Zurzeit existieren keine industrietauglichen Verfahren zur Inline-Kontrolle von Zellkulturprozessen, z.B. bezüglich der Nährstoffkonzentration oder der Stoffwechselleistung der Kultur. Stattdessen werden in regelmäßigen Abständen Proben aus dem laufenden Produktionsprozess gezogen, die dann zeitverzögert durch die entsprechenden Offline-Analytiken untersucht werden. Ziel einer optimierten und kontrollierten Prozessführung muss hingegen sein, ein kontinuierliches relevantes Signal über den Prozess zu erhalten, das sowohl die Möglichkeit des Prozessmonitoring als auch die Basis für einen geregelten Eingriff auf den Prozess liefert. Zu diesem Zwecke soll im Rahmen dieses Projektes eine Methode etabliert werden, die auf Basis der Messung der Abgaszusammensetzung den Sauerstoffverbrauch, die  Kohlendioxidproduktion der Kultur und, daraus abgeleitet, den Respirationsquotienten als prozessrelevantes Signal ergibt.

 

Ziele des Projekts, Nutzenaspekte, Marktpotenzial

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer vollautomatisierten Messtechnik zur Kontrolle von Zellkulturfermentationen, basierend auf der Atmungsaktivität  der Kulturen, insbesondere dem Respirationsquotienten. Eine solche Methode ist nicht-invasiv und setzt keinen Eingriff in etablierte Fermentationen voraus, da sie jenseits der Sterilbarriere erfolgt. Da analoge Methoden in der industriellen mikrobiellen Fermentation etabliert sind, wird eine gute Akzeptanz einer entsprechenden Messtechnik bei der pharmazeutischen Industrie auch für die Zellkulturfermentation erwartet. Mit entsprechenden Prozessen werden inzwischen weltweit Biopharmazeutika im Wert von ca. 50 Mrd $ p.a.  hergestellt, so dass hier ein erheblicher Markt angesprochen wird.

 

Projektpartner
Hitec Zang GmbH

 

Zuwendung im Rahmen des Ziel 2 –Programms NRW 2007-2013 „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung (EFRE)“, Förderwettbewerb FH-Extra

 

 

Projektleiter
Prof. Dr. Manfred Biselli
Institut für Nano- und Biotechnologien
Labor für Zellkulturtechnik
Heinrich-Mußmann-Strasse 1
52428 Jülich
Tel.: 0241/6009-53749
Fax: 0241/6009-53199

biselli(at)fh-aachen.de
http://www.inb.fh-aachen.de

 

Modulares Sensorsystem für die Zellkultur-Prozessentwicklung (CellSens)

Ausgangslage bei der Projektplanung
Die Einhaltung konstanter Kulturparameter ist für Zellkulturen von besonderer Bedeutung. Bei nicht optimalen Kulturparametern wird nicht nur die Produktivität der Zellen gesenkt, durch wechselnde Kulturparameter wird auch die chemische Struktur des sekretierten Proteins verändert und so eine unerwünschte Heterogenität des Wirkstoffs hervorgerufen, was einen erheblichen Einfluss auf die pharmakologische Wirkung hat. Durch Nährstofflimitierung können die Zellen zudem innerhalb weniger Stunden in den so genannten programmierten Zelltod übergehen, wodurch die Kultur irreversibel verloren geht. Zur Überwachung und somit direkten Regelung von biotechnologischen Prozessen ist deshalb eine schnelle inline-Analytik im Bioreaktor (z.B. von Temperatur, pH-Wert, optischer Dichte, Leitfähigkeit) notwendig, um diese Prozesse zu optimieren und so die bestmögliche Ausbeute zu erzielen. Mit Hilfe eines „Echtzeit-Prozess-Monitorings“ können Zustände von Bioprozessen direkt beobachtet werden, was für eine Früherfassung von eventuellen Problemen essentiell ist und unmittelbar bei Vorhandensein eines Problems durch Regelung der erfassten Parameter während des Prozesses gelöst werden kann. Im Gegensatz zur inline-Analytik ist die online-Messung und -Regelung der Parameter Temperatur, Sauerstoffgehalt und pH-Wert mittels konventioneller „makroskopischer“ Messfühler bzw. Elektroden Stand der Technik für großtechnische Anlagen. Eine besondere Herausforderung, insbesondere für eine geregelte Fed-Batch-Fermentation, stellt die inline-Erfassung der Konzentration der essentiellen Nährstoffe Glukose und Glutamin als hauptsächliche Kohlenstoff- und Energiequellen von Säugerzellen dar.

 

Projektziel

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines modularen festkörperbasierten Sensorsystems für die Bioprozessautomatisierung von Zellkulturfermentationen zur Herstellung von Biopharmazeutika. Im Rahmen des Projektes soll eine gehobene Prozessautomatisierung basierend auf den inline gemessenen Nährstoffen und eine darauf aufbauende nutristatische Prozessführung erfolgen.

 

 

Technische / wissenschaftliche Ergebnisse

In diesem Forschungsvorhaben sollen drei unterschiedliche Sensormodi (Feldeffekt, Amperometrie, Konduktometrie) zum Nachweis von fünf relevanten Messgrößen bzw. Parametern (pH, Glucose, Glutamin, Temperatur, Elektrolyt-Leitfähigkeit, s. Abb. 1) systematisch unter Laborbedingungen und in realen Kulturmedien innerhalb eines Bioprozesses untersucht werden. Charakteristische Kenngrößen hierbei sind die Sensitivität (Empfindlichkeit), die Drift und Hysterese des jeweiligen Sensorsignals, das Ansprechverhalten, der Messbereich inklusive unterer und oberer Nachweisgrenze sowie die Lebensdauer. Zusätzlich sollen für die „Down-scaling“-Variante die Aktuator-Funktionen untersucht werden, um neben „konventionellen“ Fermentationsprozessen zukünftig auch Fermentationen im Milliliter-Maßstab mittels inline-Monitoring kombiniert mit „in-situ“ Regelung auf dem Sensorchip durchführen zu können. Die hergestellten Sensorstrukturen bzw. sensitiven Schichten werden mit unterschiedlichen (oberflächen-)physikalischen Verfahren (hochauflösende Videomikroskopie, Ellipsometrie, REM, TEM, AFM) charakterisiert.

 

 

Zusammenarbeit mit den Projektpartnern

Partner innerhalb des Projektes „Modulares Sensorsystem für die Zellkultur-Prozessentwicklung (CellSens)“ sind die Firma HiTec Zang GmbH (Herzogenrath), die Universität Hasselt, die Philipps-Universität Marburg, das Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie und die Forschungszentrum Jülich GmbH.

 

Projektleiter
Prof. Dr. Michael J. Schöning
Institut für Nano- und Biotechnologien
Labor für Chemo- und Biosensorik
Heinrich-Mußmann-Strasse 1
52428 Jülich
Tel.: 0241/6009-53215
Fax: 0241/6009-53235

m.j.schoening(at)fz-juelich.de
http://www.inb.fh-aachen.de

 

Publikationen im Rahmen des Projektes

  • M. Bäcker, M. Biselli, A. Poghossian, W. Zang, P. Wagner, M.J. Schöning; Modular solid-state sensor system for cell-culture process development, Proceedings der 1. Graduiertentagung der FH Aachen am 9. September 2008 (urn:nbn:de:hbz:a96-opus-3125)
  • M. Bäcker, S. Beging, M. Biselli, A. Poghossian, J. Wang, W. Zang, P. Wagner, M.J. Schöning; Concept for a solid-state multi-parameter sensor system for monitoring of fermentation processes, Electrochim. Acta 54 (2009) 6107
  • M. Bäcker, M. Biselli, A. Poghossian, W. Zang, P. Wagner, M.J. Schöning; Modular solid-state sensor system for cell-culture process development, Proceedings der 2. Graduiertentagung der FH Aachen am 5. November 2009 (urn:nbn:de:hbz:a96-opus-3131)
  • M. Bäcker, A. Poghossian, M.H. Abouzar, S. Wenmackers, S.D. Janssens, K. Haenen, P. Wagner, M.J. Schöning; Capacitive field-effect (bio-)chemical sensors based on nanocrystalline diamond films, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 1203_J17-31, ISBN 978-1-60511-176-6
  • M. Bäcker, S. Kowollik, T. Schnitzler, J. Wang, A. Poghossian, W. Zang, M. Biselli, P. Wagner, M.J. Schöning; Entwicklung eines festkörperbasierten Sensorsystems für die Bioprozessautomatisierung, Proceedings des 9. Dresdner Sensor-Symposiums 2009 „Dresdner Beiträge zur Sensorik 2009“, S. 197-200, ISBN 978-3-941298-44-6
  • M. Bäcker, A. Poghossian, M.J. Schöning, Th. Schnitzler, M. Biselli, W. Zang, P. Wagner; Entwicklung eines modularen festkörperbasierten Sensorsystems für die Überwachung von Zellkulturfermentationen, Proceedings der Sensoren und Messsysteme 2010, S. 688-691, ISBN 978-3-8007-3260-9 1
  • M. Bäcker, S. Pouyeshman, Th. Schnitzler, A. Poghossian, P. Wagner, M. Biselli, M.J. Schöning; A silicon-based multi-sensor chip for monitoring of fermentation processes, Phys. Status Solidi (a) 208 (2011) 1364
  • M. Bäcker, L. Delle, A. Poghossian, M. Biselli, W. Zang, P. Wagner, M.J. Schöning; Electrochemical sensor array for bioprocess monitoring, Electrochim. Acta doi:10.1016/j.electacta.2011.04.030
  • M . Bäcker, L. Delle, S. Pouyeshman, Th. Schnitzler, M. Biselli, A. Poghossian, W. Zang, P. Wagner, M.J. Schöning; Electrochemical sensor array for bioprocess monitoring, Proceedings der 3. Graduiertentagung der FH Aachen am 4. November 2010 (urn:nbn:de:hbz:a96-opus-3386)

Entwicklung eines Anzucht- und Screeningsystems für die Bioprozessentwicklung von Zellkulturen

BMBF-Projekt im Rahmen des Fachprogramms „BioChancePLUS“, in Kooperation mit der Firma HiTec Zang GmbH, Herzogenrath


Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung einer einfach zu handhabenden, automatischen Apparatur, die es erlaubt, im kleinen Maßstab unter kontrollierten reproduzierbaren Bedingungen Fermentationsdaten für Zellkulturprozesse zu gewinnen. Das System baut auf der in der mikrobiellen Fermentation etablierten RAMOS-Technologie auf.

Veröffentlichungen

  • Canzonerie M., Biselli M., Zang W., Krüger R., Atmungsaktivitäten von Säugerzellen, kontinuierliche Onlineermittlung im Schüttelkolben, Bioforum 03/2006
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