Hintergrund

Biotechnologisch hergestellte Proteine werden üblicherweise durch chromatographische Verfah-ren und Filtration aus der Fermentationsbrühe abgetrennt und in mehreren Schritten gereinigt (downstream processing). Teure Chromatographiesäulen und Membranen sowie lange Zykluszei-ten im Downstreaming verursachen dabei oft mehr als die Hälfte der Kosten des gesamten Her-stellungsprozesses. Im Zuge des wachsenden Bedarfs an therapeutisch wirksamen Proteinen (z.B. monoklonale Antikörper, Insulin) steht die Kostenreduzierung des Downstreaming Prozesses im Fokus der aktuellen pharmazeutischen Forschung.
 

Alternative: Proteinkristallisation

Als kostengünstige Alternative zur Chromatographie gilt die Kristallisation von Proteinen, welche ebenfalls eine hochselektive Technologie darstellt und zudem leichter skalierbar ist. Kristalline Formulierungen haben weiterhin den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur eine hohe Lagerstabili-tät aufweisen, wohingegen in Lösung vorliegende Proteine instabiler sind und meist bei geringen Temperaturen gelagert werden müssen.
 

Besonderheiten von Proteinkristallen

Proteinkristalle enthalten typischerweise bis zu 40 Massen-% Wasser in den Hohlräumen des Kris-talls sowie gebunden als Hydratwasser. Die daraus resultierende Empfindlichkeit gegenüber me-chanischen Belastungen ist bei der Auslegung von Proteinkristallisationsprozessen besonders zu berücksichtigen. Weiterhin besitzen Proteine eine hohe pH- und Temperatursensitivität, was bei der Wahl des Kristallisationsprozesses von entscheidender Bedeutung ist.
 

Projekt: Technische Proteinkristallisation zur Aufreinigung, Stabilisierung und Formulierung pharmazeutisch aktiver Proteine

Im Rahmen dieses BMBF-geförderten Projektes wurden verschiedene Kristallisationsverfahren auf ihre Eignung für die technische Proteinkristallisation untersucht und geeignete Prozessstrategien entwickelt. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Verdrängungskristallisation, bei welcher durch Zu-gabe eines Verdrängungsmittels (z.B. NaCl) die Proteinlöslichkeit in der Mutterlauge verringert wird und die resultierende Übersättigung durch Keimbildung und Kristallwachstum abgebaut wird. Verdrängungsmittelfreie Verfahren (z.B. Vakuumkristallisation, Freeze-thawing) stehen im Fokus aktueller Untersuchungen.
 

Projekt: Proteinaggregation bei der Herstellung moderner Biopharmazeutika

Liegen hohe Übersättigungen in der Lösung vor, reicht die Zeit zu einer geordneten Kristallbildung nicht aus und die Proteinmoleküle aggregieren, es entsteht Präzipitat. Im Rahmen dieses BMBF-geförderten Nachfolgeprojektes soll untersucht werden, inwiefern die Präzipitation als Alternative zur Kristallisation für nicht kristallisierbare Proteine eingesetzt werden kann. Von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses ist dabei, wie auch bei der Kristallisation, das Erreichen einer hohen Ausbeute. Die Selektivität des Prozesses (keine Fremdstoffe im Präzipitat) sowie die Reversibilität des entstandenen Präzipitats sind weitere Voraussetzungen für den indust-riellen Einsatz der Protein-Präzipitation.

 

Abb.1: Isometrische Lysozym-Kristalle	Abb.2: Nadelförmige Lysozym-Kristalle

 

Abb.3: monoklonaler Antikörper Kristall (REM Aufnahme)