Die Herausforderung: Kritische Daten schnell genug zu erhalten
Ein immer wiederkehrender Engpass bei der Entwicklung von Bioprozessen ist die Verzögerung zwischen Probenahme, Analyse und Datenauswertung. Aus prozesstechnischer Sicht lautet die zentrale Frage: Wie können Daten schnell genug generiert werden, um zeitnahe Entscheidungen zu ermöglichen? Aus analytischer Sicht ist die Herausforderung ebenso klar: Wie lassen sich Proben effizienter analysieren, um in kürzerer Zeit mehr Daten zu gewinnen?
In herkömmlichen Arbeitsabläufen werden Proben oft manuell aus Bioreaktoren oder Prozessbehältern entnommen, eingefroren, an Analyselabore weitergeleitet, von Spezialisten aufbereitet und anschließend mittels chromatographischer oder massenspektrometrischer Methoden analysiert. Je nach Assay kann allein die Probenvorbereitung mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Zusammen mit der Terminplanung, dem Transport, der Analyse und der Datenverarbeitung kann sich die Gesamtdurchlaufzeit auf Tage oder sogar Wochen verlängern.
Bis die Ergebnisse vorliegen, ist der Prozess möglicherweise bereits abgeschlossen. Dies schränkt die Möglichkeit ein, auf unerwartete Trends zu reagieren, Prozessparameter anzupassen oder die Daten in Echtzeit als Grundlage für Entwicklungsentscheidungen zu nutzen.
PAT als Wandel von Endpunkttests hin zum Prozessverständnis
Bei PAT geht es nicht lediglich darum, ein Produkt am Ende eines Prozesses zu prüfen. Es handelt sich um ein Rahmenkonzept zur Gestaltung, Analyse und Steuerung der Fertigung durch zeitnahe Messungen kritischer Qualitäts- und Leistungsmerkmale. Das oberste Ziel besteht darin, die Produktqualität durch ein besseres Prozessverständnis und eine effektivere Steuerung sicherzustellen.
Dies stellt einen Wandel von der reaktiven Analyse hin zur proaktiven Prozesssteuerung dar. Anstatt auf die Endergebnisse nach Abschluss eines Prozesses zu warten, ermöglicht PAT den Teams, Daten während der Verarbeitung zu erfassen und diese Informationen zu nutzen, um besser zu verstehen, was im Verlauf des Prozesses geschieht.
In diesem Zusammenhang sind automatisierte Probenahme und analytische Integration unerlässlich. Sie tragen dazu bei, analytische Arbeitsabläufe näher an den Prozess heranzuführen und die Abhängigkeit von manueller Probenahme, manueller Probenvorbereitung und verzögerten Offline-Tests zu verringern.
Von der Offline- zur At-Line-, Online- und Inline-Überwachung
PAT-Tools lassen sich je nach dem Grad ihrer Anbindung an den Prozess als Spektrum betrachten.
In einem herkömmlichen Offline-Arbeitsablauf werden Proben aus dem Prozess entnommen und zur Analyse an ein separates Labor geschickt. Dieser Ansatz kann sehr leistungsfähig und äußerst detailliert sein, ist jedoch oft mit mehreren Übergaben, längeren Durchlaufzeiten und eingeschränkten Möglichkeiten zur Beeinflussung des laufenden Prozesses verbunden.
Die At-Line-Analyse rückt die Messung näher an den Prozess heran. Die Messgeräte können in der Nähe des Produktions- oder Entwicklungsbereichs aufgestellt werden, wodurch Proben schneller analysiert werden können. Allerdings erfordern At-Line-Arbeitsabläufe oft noch manuelle Probenahme, manuellen Transport oder manuelle Vorbereitung.
Die Online-Analyse verbindet den Prozess direkt mit einem Analysegerät. Proben werden automatisch aus dem Prozess zum Analysegerät umgeleitet und nicht in den Prozessstrom zurückgeführt. Dies ermöglicht häufigere Messungen und eine schnellere Datenerfassung, insbesondere in Kombination mit automatisierten Probenahmesystemen.
DieInline -Überwachung stellt die höchste Stufe der Prozessintegration dar. Bei dieser Konfiguration werden Sensoren direkt in den Prozessstrom eingebracht, was eine kontinuierliche Messung ermöglicht, ohne dass Proben entnommen werden müssen.
Jeder Schritt entlang dieses Spektrums reduziert manuelle Eingriffe und erhöht das Potenzial für ein Prozessverständnis in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit. Dr. Ayesas Vortrag konzentrierte sich insbesondere auf Online- und At-Line-Workflows unter Verwendung automatisierter Probenahme, Chromatographie und LC-MS-basierter Analyse.
Automatisierte Probenahme als Bindeglied zwischen Prozess und Analytik
Ein zentrales Element der vorgestellten Arbeitsabläufe war der Einsatz des automatisierten Probenahmesystems Numera®, um Prozessströme mit Analysegeräten zu verbinden. In der beschriebenen Konfiguration wurde Numera verwendet, um Proben von vor- und nachgelagerten Prozessstellen zu entnehmen, darunter auch perfusionsbezogene Prozessströme und Ausgleichsbehälter.
Bei Online-PAT-Anwendungen ermöglichte Numera die automatisierte Probenentnahme und den Transfer zu einem Chromatographiesystem. Bei At-Line-Workflows wurden Proben als Retains entnommen und gespeichert, die anschließend zur komplexeren Aufbereitung und LC-MS-Analyse an ein automatisiertes Liquid-Handling-System weitergeleitet werden konnten.
Diese Flexibilität ist wichtig, da nicht jede Analysemethode online vollständig automatisiert werden kann. Einige Assays erfordern eine aufwendigere Aufbereitung, wie beispielsweise Reinigung, enzymatische Verdauung oder mehrere Schritte der Probenhandhabung. Durch die Unterstützung sowohl von Online- als auch von At-Line-Workflows kann die automatisierte Probenahme als Brücke zwischen dem Prozess und verschiedenen Ebenen analytischer Komplexität dienen.
Online-Chromatographie für die Überwachung nahezu in Echtzeit
Einer der wichtigsten von Dr. Ayesa vorgestellten Arbeitsabläufe umfasste die Kopplung von Numera mit einem zweidimensionalen Chromatographiesystem. In dieser Online-PAT-Konfiguration entnahm Numera automatisch Proben und löste den Chromatographie-Arbeitsablauf aus.
Bei Proben aus dem Upstream-Bereich, wie beispielsweise geernteter Zellkulturflüssigkeit, nutzte der Arbeitsablauf einen Protein-A-Chromatografieschritt in der ersten Dimension, um das gewünschte Protein aufzureinigen. Die Probe konnte anschließend einer analytischen Methode in der zweiten Dimension zugeführt werden, beispielsweise der Größenausschlusschromatographie oder der Ionenaustauschchromatographie, um bestimmte Produktqualitätsmerkmale zu überwachen.
Dieser Ansatz ermöglicht es, ausgewählte molekulare Eigenschaften über die gesamte Prozessdauer hinweg zu verfolgen. In dem besprochenen Beispiel könnte der Arbeitsablauf häufige Analysen über einen langen Prozesszeitraum hinweg unterstützen. Je nach Aufbau des Assays könnte die Probenahme im Abstand von nur einer bis zwei Stunden erfolgen, wobei der Probenahmeschritt selbst nur etwa 15 Minuten und die analytische Methode etwa eine bis zwei Stunden pro Probe in Anspruch nimmt.
Für nachgelagerte Proben, die in der Regel reiner und teilweise gereinigt sind, könnte der Arbeitsablauf für eine detailliertere molekulare Analyse angepasst werden. So könnte beispielsweise ein Reaktor mit immobilisierten Enzymen in die erste Dimension integriert werden, um verdauungsbasierte Arbeitsabläufe zu unterstützen, gefolgt von einer chromatographischen Trennung in der zweiten Dimension.
Der Hauptvorteil liegt in der erheblichen Zeitersparnis von der Probenahme bis zur Datenauswertung. Anstatt auf manuelle Probenahme, Probentransfer, die Verfügbarkeit von Analytikern und die Offline-Verarbeitung zu warten, kann das System Analyseinformationen nahezu in Echtzeit generieren, während der Prozess noch läuft.
At-Line-LC-MS-Workflows für eine tiefergehende Charakterisierung
Während die Online-Chromatographie für die gezielte Überwachung wertvoll ist, erfordern einige analytische Fragestellungen eine eingehendere molekulare Charakterisierung. Für diese Fälle beschrieb Dr. Ayesa einen At-Line-Workflow, der die automatisierte Probenahme mit der automatisierten Probenvorbereitung und der LC-MS-Analyse kombiniert.
In diesem Arbeitsablauf entnimmt und speichert Numera Proben aus dem Prozess. Diese Proben werden anschließend an ein LEAP-PAL-Automatisierungssystem weitergeleitet, das Aufbereitungsschritte wie Reinigung und Proteinverdauung durchführt. Die aufbereiteten Proben werden anschließend mittels LC-MS analysiert.
Dieser Arbeitsablauf ist besonders relevant für Methoden, die traditionell einen ganzen Tag manueller Arbeit durch einen Analytiker erfordern würden. Die automatisierte Aufbereitung kann den Zeitaufwand für manuelle Tätigkeiten reduzieren und die Konsistenz des Arbeitsablaufs verbessern. In dem vorgestellten Beispiel konnte das System die Reinigung und den Aufschluss von sechs Proben in etwa sechs Stunden abschließen, woraufhin die LC-MS-Analyse folgte.
Obwohl es sich hierbei nicht um eine vollständig online durchgeführte Analyse handelt, verbessert dies die Durchlaufzeit dennoch erheblich. Anstatt Wochen oder Monate auf detailliertere Charakterisierungsdaten zu warten, können die Ergebnisse innerhalb eines viel kürzeren Zeitraums vorliegen – je nach Assay möglicherweise sogar innerhalb von 24 Stunden.
Dies ist besonders nützlich für die Überwachung von posttranslationalen Modifikationen, Glykation und anderen Produktqualitätsmerkmalen im Verlauf eines Prozesses. Wenn diese Daten nahezu in Echtzeit generiert werden, sind sie für das Prozessverständnis und die Prozessentwicklung wesentlich wertvoller.
Ein umfassenderes Bild des Prozesses erstellen
Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus dem Vortrag war, dass Online- und At-Line-Workflows nicht miteinander konkurrieren müssen. Stattdessen lassen sie sich kombinieren, um eine umfassendere Strategie zur Prozessüberwachung zu schaffen.
Die Online-Chromatographie kann während des Prozesses regelmäßig gezielte Informationen zu ausgewählten Merkmalen liefern. At-Line-LC-MS-Workflows können detailliertere Charakterisierungsdaten mit kurzer Durchlaufzeit bereitstellen. Die automatisierte Probenahme verbindet beide Workflows mit dem Prozess und verringert die Abhängigkeit von der manuellen Probenentnahme.
Gemeinsam helfen diese Werkzeuge den Teams, besser zu verstehen, was in den vor- und nachgelagerten Prozessschritten geschieht. Sie unterstützen zudem die schnellere Identifizierung kritischer Prozessmerkmale und Qualitätstrends und ermöglichen so fundiertere Entwicklungsentscheidungen.
Von Wochen auf Stunden: Die praktischen Auswirkungen der PAT-Integration
Die Gesamtauswirkungen des integrierten Arbeitsablaufs lassen sich in drei wesentliche Verbesserungen zusammenfassen.
Erstens steigt die Probenahmehäufigkeit. Die manuelle Probenahme wird durch eine automatisierte Probenahme ersetzt oder ergänzt, wodurch Proben konsistenter und häufiger entnommen werden können.
Zweitens verkürzt sich die Durchlaufzeit. Analyseergebnisse, deren Erstellung früher Wochen gedauert haben mag, können je nach Arbeitsablauf nun innerhalb von Tagen oder sogar Stunden vorliegen.
Drittens stehen die Datenbereits während des Prozesses zur Verfügung und nicht erst nach dessen Abschluss. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da Daten am wertvollsten sind, wenn sie noch Einfluss auf die Entscheidungsfindung nehmen können.
Durch die Kombination von Numera, der Lucullus®-Software, Online-Chromatographie und automatisierter Probenvorbereitung zeigen die vorgestellten Arbeitsabläufe, wie PAT-Tools in laufende Pilotanlagenprozesse integriert werden können. Damit wird die Überwachung von Bioprozessen weg von verzögerten Offline-Analysen hin zu einem Prozessverständnis nahezu in Echtzeit verlagert.
Weiterentwicklung von PAT durch Automatisierung und Integration
Dr. Ayesas Vortrag beleuchtete eine praktische und äußerst relevante Richtung für die moderne Bioprozessentwicklung. Da sich die Branche weiterhin in Richtung „Quality by Design“, intensivierter Prozesse und stärker datengesteuerter Entwicklungsstrategien bewegt, wird die Fähigkeit, zeitnahe Analysedaten zu generieren, zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Automatisierte Probenahme und die Integration von Online-Analysen sind entscheidende Faktoren für diesen Wandel. Sie tragen dazu bei, manuelle Eingriffe zu reduzieren, die Datenfrequenz zu erhöhen, die Durchlaufzeiten der Analysen zu verkürzen und den Prozessteams Informationen genau dann zur Verfügung zu stellen, wenn sie am dringendsten benötigt werden.
Das Ergebnis ist nicht nur eine schnellere Analyse. Es ist ein stärker vernetzter, reaktionsschneller und wissensbasierter Ansatz für die Bioprozessentwicklung.
Sehen Sie sich die vollständige Aufzeichnung an
Sehen Sie sich die aufgezeichnete Präsentation an und erfahren Sie, wie automatisierte Probenahme und die Integration von Online-Analysen die PAT in der biopharmazeutischen Prozessentwicklung voranbringen können.
Hier herunterladen
