Roboter statt Shaker

Bild: iStock, Dangubic; Roche

Fermentation Roboter statt Shaker

05.07.2016

Die Forscher eines Pharmaunternehmens entwickeln immer mehr hochwirksame Biopharmazeutika. Bevor diese im großen Maßstab erzeugt werden können, müssen die Verfahrens­entwickler ran. Sie erhalten Unterstützung von einem Robotik-Team, das mit einem hochautomatisierten System Dynamik in die Verfahrens­entwicklung bringt.

Weißer Kittel, Laborschuhe – Sven Markert und Carsten Musmann betreten ihren Arbeitsplatz beim Pharmakonzern Roche im oberbayerischen Penzberg. Ihr Team, Teil der Abteilung „Technische Entwicklung Fermentation“, arbeitet an der äußerst wichtigen Schnittstelle der Biopharma-Entwicklung zwischen Forschung und der Produktion. Biotechnologisches Verständnis bringen beide aus dem Studium mit. Doch besonders ihre Robotik- und IT-Kenntnisse haben die Verfahrens­entwicklung von Roche Pharma vorangebracht. Die Prozessentwickler möchten wesentliche Fragestellungen beantwortet wissen, die beim Übergang eines Laborprozesses zur großtechnischen Produktion entstehen. Dazu arbeiten Musmann und seine Mitarbeiter mit Mikrotiterplatten – ganz so, wie die Forschungskollegen, die geeignete Moleküle zunächst identifizieren. Dazu muss ein robuster und marktfähiger Prozess für den Produktionsmaßstab entwickelt werden, was eine ressourcenintensive und aufwendige Aufgabe darstellt. Das Ziel liegt in einem stabilen Prozess, der mit hoher, gleich bleibender Qualität den gewünschten Wirkstoff in hoher Ausbeute garantiert.

Die Produktionsprozesse sind so einzigartig wie der Wirkstoff selbst. Die Entwickler nutzen Zwei-Liter-Bioreaktoren als etabliertes Kultivierungssystem. Daneben verwenden sie kleinere Systeme, in denen sie parallel Screening-Versuche durchführen. So beantworten sie vielfältige Fragestellungen, mit der Intention, beispielsweise die Medienzusammensetzung zu optimieren. Bis vor Kurzem war der Erlenmeyerkolben das Mittel der Wahl. Das ist nun Geschichte. Denn auch wenn die Ziele von Musmann und seinem Team die gleichen sind wie die ihrer Kollegen: Sie unterstützen die Prozessentwicklung auf ganz eigene Weise. Die Mittel, die ihnen zur Verfügung stehen, bieten ungleich bessere Voraussetzungen für beschleunigte, aber ebenso zuverlässige Vorhersagen. Sie nutzen zwei vollautomatisierte Systeme, mit denen dieselben Experimente wie mit dem Erlenmeyer-Shaker durchgeführt werden können: nur eben im 5-ml-Maßstab auf Mikrotiterplatten. Diese Systeme bestehen aus Inkubatoren, einem Pipettierroboter sowie Analytik-Equipment. Alle Module sind rund um einen zentralen Plattentransportroboter aufgebaut.

Der Roboter bewegt die Mikrotiterplatten je nach Versuchs­ablauf, der von einem zentralen Computerprogramm vorgegeben wird. Nährlösung und Zellkultur werden in jeden der 5-ml-Reaktoren zudosiert, die Platte wird verschlossen, in den Inkubator gegeben und dort mit einer definierten Frequenz geschüttelt. Der Roboter schleust Platten aus, lässt automatisch Proben ziehen, analysieren und so weiter – nicht anders, als es früher das Laborpersonal mit den deutlich größeren Probemengen im Erlenmeyerkolben gemacht hat. Nur eben mit sehr viel mehr Parallelansätzen. Markert, Musmann und die anderen Teamnitglieder lassen bei Bedarf mal eben 576 Mini-Reaktoren parallel laufen – und erzielen so einen wahren Datenschatz für die Prozessentwickler.

Parallelisiert zu besserem Prozessverständnis

Sven Markert, ehemaliger Leiter der Gruppe, hat dafür die Basis gelegt. 2009 begann er im Rahmen seiner Promotion das automatisierte Zellkultursystem zu entwickeln. Ziel war die Beschleunigung der Prozessentwicklung. Markert begann bei null. Dass er zur Miniaturisierung Mikrotiterplatten nutzen wollte, stand schnell fest. Welche Größe aber war geeignet? An welcher Stelle der einzelnen Näpfchen sollte man am besten zupipettieren? Wie konnten die weiteren Module und Automatisierungsbausteine gewählt werden, dass sie möglichst flexibel kombiniert und bei Bedarf erweitert werden konnten? Auch die analytischen Methoden mussten angepasst und ins Gesamtsystem integriert werden.

Sven Markert blickt zurück: „Als man dieses Projekt angestoßen hat, hat man wohl schon die heutige Komplexität vorausgesehen. Unsere Forschung hat heute ein Riesen-Portfolio hochwirksamer Moleküle in der Pipeline und auch die Palette der Zellkulturmedien entwickelt sich weiter.“ Zudem wolle man die Prozesse zu einem frühen Zeitpunkt besser verstehen, um bei der späten Prozessentwicklung Ressourcen zu sparen und mehr der vielversprechenden neuen Moleküle für den Markt zu entwickeln.

Mit der Mikrotiterplatte im SBS-Format (Society for Biomolecular Screening) hat Markert das Standardwerkzeug der Automatisierung genutzt. Alle automatisierten Systeme sind auf sie zugeschnitten. Die zahlreichen Kavitäten unterstützen die Parallelisierung der Versuchsabläufe besonders gut. Noch im Rahmen seiner Doktorarbeit gelang es Markert anhand konkreter Projekte der Fermentationsentwicklung nachzuweisen, dass sein roboterbasiertes System im Mikrotiterplattenformat zuverlässige Vorhersagen für den Bioreaktormaßstab erlaubte. Beispielsweise konnten die Medien für die Herstellung eines monoklonalen Antikörpers so optimiert werden, dass die Ausbeute um 22 Prozent gesteigert werden konnte. Die Ergebnisse des automatisierten Systems konnte man im Zwei-Liter-Bioreaktor bestätigen.

Damit stand das System vor der Integration in den Routinebetrieb – und der Ball war bei Carsten Musmann. Schon als Diplomand half der Biosystemtechniker Markert beim Aufbau des Systems. In Musmanns Doktorarbeit stand die Aufgabe an, die Zellkulturanlage weiter zu automatisieren und ihre Effizienz zu steigern. So sollte sie die Entwicklung robuster Phase-3-Prozesse, meist auf Basis von CHO-Zellen, unterstützen. Seit Kurzem leitet Musmann die Gruppe.

Beim Übergang in den Routinebetrieb war nicht nur der Durchsatz der Kultivierung und Analytik zu steigern. Jeder bei Roche übliche Prozess musste abgebildet werden. Das alles läuft inzwischen reibungslos, inklusive der Analytik, die sich ebenfalls innerhalb des circa 2,5 x 2,5 m großen Glaswürfels des Robotersystems befindet. Zur Zelldichtebestimmung hat das Robotik-Team ein Mikroskop integriert. Die typischen Metabolite wie Glukose oder Lactat werden automatisiert mithilfe von Roche-Cobas-Reagenzien-Kits bestimmt. Auch Fluoreszenz-Farbstoffe aus dem eigenen Haus finden hier Anwendung. Demnächst ist die Integration eines Lightcycler 480 (Real-Time) PCR-Systems geplant, ebenfalls ein Hochdurchsatzgerät. Markert erläutert: „Wir wollen es schaffen, unsere Hochdurchsatz-Zellkultur mit Hochdurchsatz-PCR zu koppeln.“ 400 derartige Experimente parallel – das führe zu einer sehr hohen Aussagekraft.

Kompetenz für automatisierte Analytik

Neben Leiter Musmann arbeiten inzwischen drei weitere festangestellte Mitarbeiter in der Robotikgruppe. Sie alle haben dazu beigetragen, die Anlage vom Entwicklungsstadium in den Routinebetrieb zu überführen. Jeder neue Versuch, der von den Verfahrensentwicklern in Auftrag gegeben wird, will gut durchdacht sein. Letztlich beratschlagt das Team gemeinsam über die richtigen Wege für jedes einzelne Experiment. Auch die technische Auswertung gehört zu ihren Aufgaben. Es gilt, jeweils die optimale Balance zwischen Informationsdichte und Durchsatz zu finden. Um beides miteinander so gut wie möglich zu vereinbaren, hat Musmann die softwareseitigen Möglichkeiten ausgereizt.

Bereits 16 Projektzelllinien hat die Gruppe bearbeitet, davon zwölf in der Phase des Routinebetriebs. Meist waren es Phase-III-Entwicklungen, zum Teil hat das Team auch die interne Technologieentwicklung unterstützt. 576 Kultivierungen lassen sich nun parallel durchführen. Und die robotergestützte Hochdurchsatz-Zellkulturanlage ist noch lange nicht fertig entwickelt. Immer wieder erreichen Anfragen das Team, die zu Erweiterungen und Optimierungen führen: etwa in der Analytik eine pH-Wert-Bestimmung. Trotz Hochautomatisierung geht die Arbeit nicht aus. Markert: „Zahlreiche Verfahren müssen bei Roche in der nächsten Zeit entwickelt werden. Mithilfe unserer beiden automatisierten Zellkulturanlagen können wir das deutlich schneller schaffen, sogar in einer höheren Detailtiefe als früher.“ So komme man immer mehr weg von der reinen Beobachtung zur Steuerung. Sei etwa ein Qualitätsparameter X zu niedrig, werde man künftig wissen, wie man Parameter a, b und c verändern muss, um gegenzusteuern.

Noch müssen aus der riesigen Datenmenge, die das Robotikteam mithilfe seiner Anlagen produziert, Schlüsse gezogen werden. Wird auch das eines Tages automatisiert? Musmann: „Unsere Software kann die Daten zwar optimal aufbereitet zur Verfügung stellen und auch verdichten. Dazu nutzen wir statistische Versuchsplanungs- und -auswertetools. Doch immer noch braucht es den Fachmann, der sie interpretiert und über die nächsten Schritte entscheidet.“ Befürchtungen, Automatisierung mache Mitarbeitende überflüssig, widerspricht er. Haben die Fachkräfte schließlich aus vielleicht 400 Ansätzen im 5-ml-Maßstab die richtigen Schlüsse gezogen und diese anschließend im Bioreaktor bestätigt, können die Verfahrensentwickler die nächsten Schritte in Richtung 12.000-l-Fermenter machen und damit die Verfahrensentwicklung deutlich beschleunigen.

Bildergalerie

  • 400 Experimente lassen sich bei Roche in Penzberg parallel durchführen – dank des Einsatz von Robotik.

    Bild: Roche

  • Bei Fermentationsexperimenten lassen sich Vorgänge mithilfe von Robotik parallelisieren, bevor sie im Bioreaktor überprüft werden.

    Bild: Roche

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