Atmung von Zellen online messen

Der Markt für Biopharmazeutika, d.h. Arzneimittel, die mithilfe lebender Zellen hergestellt werden, wächst stetig, und das aus gutem Grund: Bei bisher nicht oder nur schwer behandelbaren Erkrankungen, wie Multipler Sklerose oder Brustkrebs, oder bei besonders seltenen Krankheiten stellen Biopharmazeutika eine wichtige Behandlungsalternative zu herkömmlichen Präparaten dar.

Eine neuartige Methode, um die Herstellung von Biopharmazeutika zu optimieren, stellt das Institut für Nano- und Biotechnologien vom 9. bis 11. Oktober auf der Biotechnika 2007, der wichtigsten europäischen Messe für Biotechnologie, in Hannover vor. In Halle 9 am NRW-Gemeinschaftsstand B16 präsentieren Prof. Dr. rer. nat. Manfred Biselli, Dipl.-Ing. Michelangelo Canzoneri und Dipl.-Ing. Thomas Schnitzler neben dem Bachelorstudiengang „Biotechnologie“ die laufenden Forschungsarbeiten zur Online-Messung der Atmungsaktivität von Zellkulturen, mit deren Hilfe biopharmazeutische Proteine hergestellt werden.

Großindusteriell werden die Biopharmazeutika in Rührkesselreaktoren mit einem Volumen von bis zu 15.000 Liter mit Zellkulturen produziert. In einem solchen Bioreaktor produzieren die Zellen die gewünschten Proteine und verbrauchen dabei das Substrat (Nährstoffe). Ist zu wenig Substrat im Reaktor vorhanden, sinkt nicht nur die Produktivität der Zellen, sondern auch die pharmakologische Qualität des gewonnenen Pharmaproteins. Durch Nachfütterung von Substrat kann man diesen Produktionseinbruch verhindert. Die Steuerung oder gar Regelung der Nährstoffzufütterung in einen Bioreaktor ist dabei eine große Herausforderung.

Die vom Institut für Nano- und Biotechnologien entwickelte Methode soll diesen Prozess in Zukunft erleichtern: Unter der Leitung von Prof. Dr. rer. nat. Manfred Biselli wurde im Labor für Zellkulturtechnik der Fachhochschule Aachen in Kooperation mit der HiTec Zang GmbH, Herzogenrath, eine neuartige Fütterungsstrategie entwickelt, die auf der kontinuierlichen Messung der Atmungsaktivität der Zellen beruht.

Während des Wachstums verbrauchen die Zellen das vorhandene Substrat und den Sauerstoff im Fermenter und produzieren gleichzeitig u.a. Kohlendioxid. Anhand der gemessenen Sauerstoff- und Kohlendioxidwerte lässt sich der Respirationskoeffizient (RQ) ermitteln, auf dessen Basis sich der Stoffwechselzustand der Zellen beurteilen lässt, d.h. z.B. ob die Zellen noch mit ausreichend Substrat versorgt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird dann die Zufütterungsrate neu berechnet und angepasst.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, bei dem in regelmäßigen Abständen Proben im laufenden Fermentationsprozess entnommen und mit externen Geräten untersucht werden müssen, führt das Online-Verfahren zu einer signifikant erhöhten Produktionsrate. So kann man einen optimalen Stoffwechselzustand der Zellen und insbesondere eine optimale Produktionsrate des pharmazeutischen Proteins sicherstellen.