Nøjagtige måleteknikker i lægemiddelindustrien

Senest opdateret d. 22/8-2016
Bioneer
DFM
Resultatkontrakt 2016-2018 under temaerne Produktionsteknologi og Sundhed & fødevarer
Jan C. Petersen
Teamleder

Den danske lægemiddelindustri står for en markant del af dansk eksport. For at udbygge den danske styrkeposition som farmaceutisk og bioteknologisk produktionslander der behov for nye produktions- og analysemetoder. Denne idebeskrivelse bidrager med nye Raman- og Atomic Force Microscopy analyser ved at udvikle præcise metoder til kvalitetssikring af lægemidler samt til in situ målinger i lægemiddelproduktionen og understøtter dermed udviklingen af kontinuert produktion, som beskrevet i INNO+.

1. Markeds- og samfundsbehov:

Lægemiddelindustrien har behov for forbedrede analyseværktøjer til kvantitative målinger, der er følsomme og robuste.

I forbindelse med lægemiddeludvikling, har virksomheder behov for dokumentation af struktur og stabilitet af kandidatstofferne, hvordan de opfører sig når de f.eks. blandes med hjælpestoffer (i bl.a tabletter og emulsioner), hvordan de frigives, og hvorledes krystalstrukturen ændres i tabletoverflader og ved udfældning. Dokumentationen anvendes internt i virksomheden og eksternt til regulatoriske myndigheder i forbindelse med fremstillingsprocesser, hvor metoderne anvendes til kvalitetssikring af kandidatstoffet i forskellige procestrin. Metoderne anvendes også til fortløbende karakterisering af slutproduktet.

DFM og Bioneer vil udvikle ultra-sensitive analysemetoder baseret på Raman-spektroskopi for at dække industribehovet for teknikker til analyse af småmolekyler og proteiner. Parterne vil desuden udnytte atomic force microscopy (AFM) for at udfylde behov for strukturel og mekanisk karakterisering af overflader af lægemidler og medikoartikler, der anvendes til administration af lægemidler.

Ramanspektrometre og -teknologi er tilgængelig i en række danske virksomheder inden for især farmaindustrien. Virksomheder udfører i dag kun kvalitative målinger; men har et stort ønske om  at kunne udføre kvantitative målinger. Formulering af terapeutiske proteiner kræver kvantitativ og strukturel karakterisering ved hjælp af forskellige metoder. En stor udfordring i dag er karakterisering af det endelige lægemiddel i nærvær af tilsatte hjælpestoffer. Nye følsomme og non-invasive teknikker er derfor nødvendige og Raman spektroskopi er en teknologi med et stort uudnyttet potentiale til at løse disse udfordringer. AFM teknologien opfylder behovet for strukturel og mekanisk udmåling af overfladeegenskaber i lægemidler samt i materialer, der anvendes til aflevering af lægemidler (sprøjter mv).

Der er i Danmark ca. 200 aftagere, hvoraf mere end 75 % er danske SMV’ere fordelt på lægemiddel-, mediko- og ingrediensvirksomheder.  

2. Ny teknologisk serviceydelse, kompetence og teknologi

Raman spektroskopi har de senere år udviklet sig hastigt og er blevet mere følsom, har opnået øget funktionalitet og er gjort mere alsidig. Teknologien er baseret på lysspredning og kræver stort set ingen prøveforberedelse af de emner, der skal undersøges, og målinger kan gøres ikke-invasiv. AFM udmærker sig også som en følsom teknologi med stort potentiale. Der findes ingen danske udbydere af disse serviceydelser. DFM og Bioneer forventer at udbyde:

  • udstyrsevaluering af eksisterende Raman udstyr i virksomheder med henblik på optimering og validering af målemetoder.
  • analyse af lavmolekylære kandidatstoffer herunder forskellige krystallinske former i formuleringer (tabletter, emulsioner mv).
  • analyse af protein- eller peptidbaserede lægemiddelstoffer, både i fast form og i opløsning.
  • analyse af frigivet lægemiddelstof i væsker der simulerer mave-tarm væsker, samt hvordan stofferne kan ændre fast fase form.
  • udvikling af kvantitativ Ramanspektroskopi til fremstillingsprocesanalyser Process Analytical Technologies (PAT).
  • udvikling af certificerede referencematerialer til kvantitativ Raman spektroskopi.
  • AFM til karakterisering af overflader/grænseflader i lægemidler, samt til kvantitativ analyse af overflader i medikoudstyr.

3. Centrale aktiviteter

Raman spektroskopi vil specifikt blive målrettet karakterisering af formulerede, terapeutiske proteiner og lavmolekyklære stoffer. Der er flere anvendelsesperspektiver inden for bl.a. sammenligning af biosimilære produkter, forbedret kvalitetskontrol og mere effektiv formuleringsudvikling. Aktiviteten indebærer karakterisering af formuleringer ved hjælp af komplementære teknikker såsom cirkulær dikroisme (CD) og infrarød spektroskopi, kromatografi og lysspredning. På AFM-siden vil vi arbejde med strukturel og mekanisk karakterisering af overflader i f.eks. tabletter, samt overflader som er i forbindelse med lægemiddelstoffer. 

DFM og Bioneer lægger op til følgende del-aktivteter:

  • Etablering af en kompakt opstilling bestående af to stabiliserede justerbare diodelasere til udførelse af on-site Stimuleret Raman Spektroskopi med forbedret følsomhed og dynamik, som vil blive anvendt til at monitere emner som angivet ovenfor.
  • Der vil blive udviklet kvantitative ”Surface Enhanced Raman Spectroscopy” (SERS) teknikker, som vil blive anvendt til analyser af lægemidler i forskellige formuleringer.
  • Der bliver etableret en facilitet til Tip Enhanced Raman Spectroscopy (TERS), m.h.p. at måle et forstærket Raman signal. TERS vil blive anvendt til at undersøge dannelse af amorfe og krystallinske tilstande i lægemidler som funktion af temperatur og fugtighed, samt til kvantitativ analyse af blandinger og doseringer.
  • AFM vil blive udviklet til analyse af strukturelle forhold i lægemidlet, og til at belyse den struktuelle stabilitet af lægemiddelstoffet i f.eks tabletten. Desuden til analyse af overflader, der anvendes i fx sprøjter eller dispensors, der anvendes til opbevaring og administration af lægemidler.

DFM har mange års erfaring med metrologisk anvendelse af AFM og påbegyndte i 2014 et egenfinansieret initiativ omkring Raman spektroskopi, med henblik på at evaluere teknologiens potentiale for anvendelse i farma. Sidstnævnte aktivitet har en følgegruppe bestående af medlemmer fra danske farma virksomheder, en produktionsvirsomhed og akademia. Aktiviteten understøtter og understøttes af Bioneer’s og DFM’s andre aktivitetsforslag.

4. Mulige samarbejdspartnere

Institut for Farmaci, Københavns Universitet er en vigtig samarbejdspartner. Bioneer:FARMA har allerede i form af en mindre afdeling placeret på KU Sund stor vekselvirkning med videnskabelige medarbejdere på KU Sund. DFM har en betydelig aktivitet indenfor absorptionsspektroskopi, som supplerer Raman spektroskopiske metoder inden for de fleste anvendelsesområder.

En række af de danske farmavirksomheder vil blive inviteret til at deltage i en følgegruppe, således at der sker en løbende opdatering af de emner der skal fokuseres på.

DFM har indgået et strategisk samarbejde med NPL(UK), PTB (DE) og NIST (US) vedrørende videreudvikling af Raman spektroskopi og deling af ny viden mellem parterne.DFM har i 2014 haft to medarbejdere udstationeret hos henholdsvis NPL og PTB samt besøgt NIST.

Aktiviteterne adresserer en række af de udfordringer, der er nævnt i INNO+ vedrørende bedre, billigere og sikrere processer og produkter i den farmaceutisk og bioteknologisk produktion.

Nøgleord

11 kommentarer

Herunder er indlæg og kommentarer fra interessenter på aktiviteter og aktivitetsforslag.

Stefan Ovesen Banke (CTO, RSP Systems A/S)
Mandag d. 13/4-15 kl. 08:48

Mit navn er Stefan Banke. Jeg repræsentere RSP Systems A/S og er CTO. Vi er pt 8 ansatte og arbejder på udvikling af stikfri blodglukosemåler. Det er et apparat der er baseret på en optisk måling og teknikken kaldes Raman spektroskopi. Når produktet er klar til lancering forventer vi at det vil være et stykke medicoteknologi til hjemmebrug. Vores daglige arbejde er selvfølgelig centreret omkring at udvikle udstyret og centralt i det arbejde er karakteriseringen af system. I den forbindelse har vi indgået et samarbejde med DFM for at udvikle løsninger til at optimere vores karakterisering systemer. DFM bidrager med viden omkring teknologien og viden om hvordan man finder eller udvikler standarder der opfylder vores krav. Med DFMs hjælp vil vi kunne forbedre nøjagtigheden af vores karakterisation. Muliggøre analyser af ydeevne på tværs af udstyr og øge hastigheden af voers udvikling.

Mvh

Stefan Banke

Christian Larsen (Underdirektør, OFS Fitel Denmark)
Torsdag d. 16/4-15 kl. 16:31

OFS Fitel Denmark har udviklet teknologi til absorptionsspektroskopi ved hjælp af dispersive optiske fibre, og jeg ser gode muligheder for at kombinere denne teknologi med Raman spektroskopi. Muligheden for et samarbejde med parterne i dette projekt, som er orienteret mod slut brugere og med meget konkrete anvendelser, vil være til stor gavn for OFS. DFM tager her en central rolle i at bringe disse teknologier fra forskning og udvikling til kommercielle anvendelser. DFM har kompetencerne omkring lyskilder og spektroskopi, samt erfaring med at lede denne type projekter. Jeg ser frem til dette projekt og samarbejde.

Christian Larsen

Anders Larsen
Søndag d. 19/4-15 kl. 09:08

Repræsentativ Sampling er vigtig. Det har vi som hjertebarn hos Q-Interline, hvor vi arbejder med IR og NIR til sammen industri, men disse teknikker kan ikke stå alene og Raman er en spændende kandidat til værktøjkassen, særligt hvis der forskes i nyt udstyr, der undersøger en passende overflade/prøve volumen. Ligeledes vigtigt at der arbejdes med at undertrykke fluorescens, idet vore erfaring viser at mange lægemidler og processer kan have denne udfordring.
Jeg ser frem til at følge dette projekt.
Anders Larsen, founder/CEO Q-Interline A/S

Bo Wiese (Direktør, Intermark Metrology)
Tirsdag d. 21/4-15 kl. 15:52

Jeg skriver som ejer af en mindre leverandør til dette segment og kan kun bakke om denne type muligheder det er til stor gavn for industrien og producenter. Det er samtidig med til at sikre
udvikling og positionering som værende verdens bedste industri.

Christian Müller (Principal Scientist, CMC Biologics)
Fredag d. 24/4-15 kl. 23:45

Indenfor lægemiddelproduktion ved celledyrkning har man i mange år kunne få online målinger af pH, CO2, dissolved oxygen. Men man har stadig kun at-line målinger af glucose, mælkesyre, glutamine og andre for processen betydende metabolitter. Hvis der kunnne genereres ekspertise indenfor Raman spektroskopi og -analyse i forbindelse med celledyrkning, vil denne teknik kunne benyttes til brug af online målinger af proces-betydende metabolitter, og det ser jeg som en meget interessant nyskabelse indenfor løgemiddelfremstilling.

Lars Barkler (Direktør, Lithium Balance A/S)
Mandag d. 4/5-15 kl. 12:10

Det er særdeles interessant og i international klasse at DFM vil udvikle mere følsomme målinger baseret på Raman spektroskopi - herunder at skabe kvantitative målemetoder. Det vil ganske givet være meget værdifuldt for den danske medicinal-industri, men metoden vil potentielt været tilsvarende værdifuld for batteriforskningen, som Lithium Balance bevæger sig indenfor. SÅ vi finder dette initiativ meget interessant, det har vores fulde opbakning.

Kim Hejnaes (CEO, Hejnaes Consult AB)
Tirsdag d. 5/5-15 kl. 17:01

Kim Hejnaes, CEO Hejnaes Consult, Adjungeret professor, Aalborg Universitet

Raman spectroscopy has become a versatile tool in protein science and biotechnology with new insights into protein folding, assembly and aggregation. Further, the improved instrument sensitivity makes it possible to use Raman difference spectroscopy to characterize enzyme–substrate interactions and protein–ligand interactions with a resolution surpassing that of x-ray diffraction.
I see some very interesting aspects with Raman technology in assessment of protein stability as a function of buffer salts and excipients and perhaps as a future stability indicating method addressing protein secondary structures as a function of time.

Karsten Rottwitt (Professor, DTU Fotonik)
Fredag d. 8/5-15 kl. 15:02

På DTU Fotonik, har vi arbejdet med flere forskellige optiske målemetoder med anvendelse indenfor bl.a. indenfor bio-fotonik med relevans til lægemiddelindustrien, et eksempel herpå er Raman spektroskopi. Vi er overbeviste om at der er store muligheder for at forbedre optiske målemetoder såsom Raman spektroskopi ved at anvende ny optiske viden, for eksempel nye typer af optiske fibre, nye lyskilder som LED's og ikke lineær optisk signalbehandling. Det er imidlertid klart at disse målemetoder kun finder anvendelse dersom de kan benyttes til kvantificerbare målinger. Dette gælder specielt indenfor lægemiddelindustrien. I forbindelse med vores forskning har vi haft flere samarbejdsprojekter med DFM, og det er klart for os at DFM er en optimal partner som bindeled mellem vores forskning og en endelig anvendelse.
Jeg håber meget at vi må finde mulighed for at arbejde sammen med DFM om for eksempel Raman spektroskopi.

Karsten Rottwitt
Prof. DTU Fotonik

Morten Allesø (Principal Pharmaceutical Researcher, H. Lundbeck A/S)
Onsdag d. 13/5-15 kl. 07:23

Det er meget vigtigt for produktionen at lægemidler hos Lundbeck at vi har adgang til de bedste og nyeste kvantitative analysemetoder dels til øget procesforståelse under udviklingsforløbet, men også til kvalitetssikring under kommerciel produktion. De kvantitative og ultra-følsomme analysemetoder indenfor Raman spektroskopi og AFM teknologi forslaget beskriver, vil i den forbindelse være meget værdifulde for Lundbeck. Lundbeck vil f.eks. være interesseret i evaluering af eksisterende Raman udstyr, udvikling af kvantitativ Raman spektroskopi og udvikling af referencematerialer til sikring af pålidelige og robuste målinger. Endvidere er vi interesserede i AFM mikroskopi til f.eks. at fokusere på de krystalformer af den aktive substans der – udover gunstige fysisk-kemiske egenskaber – også giver de bedste komprimeringsegenskaber til tabletproduktion. Jeg ser frem til at følge projektet.

Erik Skibsted (Principal Scientist, PhD, Novo Nordisk/Oral Protein Formulation)
Onsdag d. 13/5-15 kl. 16:08

På Novo Nordisk bruger vi idag Raman spektroskopi til kvalitative undersøgelser af tablet overflader for at optegne kemiske "billeder" af fordelingen af tablettens individuelle komponenter samt identifikation af ukendte partikler vi ønsker at identificere. Raman har vist sig at være en stærk teknologi til kvalitative undersøgelser men jeg kan se mange nye værdifulde applikationer for kvantitative raman teknologier f.eks. bestemmelse af protein i vandige opløsninger, her tænker jeg specielt på bestemmelse af udbytte under fermentering målt i real-time. Sådan en teknologi vil være ekstremt værdifuld for bioteknologiske virksomheder som Novo Nordisk som producer alle de aktive lægemidler vha fermentering og celledyrknings processer. En anden værdifuld applikation for Novo Nordisk vil være kvantificering af protein indhold i tabletter, som er et af Novos helt store forskningsområder. Idag bestemmes protein indholdet ved at opløse tabletterne og kvantificere protein indholdet vha. kromatografiske metoder. dette er meget ressource krævende i det analytiske laboratorium og en hurtig kvantitativ raman teknologi vil give store besparelser under analyse og samtidig kunne implementeres på produktionslinien med en hurtige frigivelse af en batch.

Novo Nordisk ser frem til at følge dette spændende projekt.

Mvh
Erik Skibsted

Jukka Rantanen (professor, University of Copenhagen)
Torsdag d. 14/5-15 kl. 23:53

Fremstilling af medicin i fremtiden kræver innovative målingsmetoder for at forbedre proces overvågning og kontrol løsninger. Raman spektroskopi er en hurtig metode for dette, og der er ikke brug for nogen prøveforberedelse. Raman kan også bruges for diverse troubleshooting med kompleks drug delivery systemer.