Prozessoptimierung DNA-Synthese | Therapeutische Oligonukleotide
David Vonlanthen: Entwicklung und Prozessoptimierung einer Syntheseroute für einen komplexen Baustein therapeutischer Oligonukleotide – mit stereoselektiver Zuckerchemie, chromatographiefreier Aufarbeitung und Perspektive auf die Kilolaborskalierung.
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Prozessoptimierung und Pilotierung
Die Herstellung komplexer therapeutischer Oligonukleotide beginnt bereits lange vor der eigentlichen Synthese. Voraussetzung ist ein effizient herstellbarer und in ausreichender Qualität verfügbarer Synthesebaustein. In diesem Projekt entwickelte ich eine neue Syntheseroute. Im Zentrum standen Retrosynthese, Zuckerchemie, stereoselektive Synthese und Prozessoptimierung mit dem Ziel, eine mehrstufige Synthese in einen skalierbaren Herstellungsprozess zu überführen. Die Arbeit verbindet damit chemische Syntheseentwicklung mit den Anforderungen eines späteren Upstream Process Development, Downstream Processing und Scale-up. | Oligonukleotide
Retrosynthese und Zuckerchemie – vom Key Intermediate zum Synthesebaustein
Die Entwicklung begann mit der retrosynthetischen Analyse des benötigten geschützten Oligonukleotid-Bausteins. Dabei wurde die Syntheseroute nicht nur hinsichtlich der chemischen Machbarkeit betrachtet, sondern bereits mit Blick auf Materialeffizienz, Selektivität, Ausbeute und spätere Skalierbarkeit.
Stereoselektiver Zugang zum Key Intermediate
Eine frühere Herstellungsstrategie führte über die Synthese eines Racemates und verursachte dadurch einen erheblichen Materialverlust und Trennungskosten. Durch eine neue retrosynthetische Strategie konnte ein stereoselektiver Zugang zu einem zentralen Key Intermediate entwickelt werden.
D-Mannose als Ausgangsstoff
Als Ausgangsmaterial diente kostengünstige und gut verfügbare D-Mannose. Die Synthese verband Zuckerchemie mit enatioselektiver Synthese und retrosynthetischem Design.
Ringschluss-Metathese als Schlüsselelement
Ein Ruthenium-katalysierter Metatheseschritt bildete einen besonders eleganten Bestandteil der Synthesestrategie und ermöglichte einen effizienten Aufbau der gewünschten Molekülstruktur.
Prozessoptimierung einer mehrstufigen Synthese
Die Herstellung des geschützten Oligonukleotid-Bausteins umfasste rund 20 Synthesestufen. Diese rund 20 Stufen beziehen sich auf die Herstellung des Synthesebausteins selbst und nicht auf die anschliessende DNA-Synthese mittels Festphasensynthese.
Bei einer derart langen Synthesekette beeinflussen Ausbeute, Aufarbeitung und Materialverluste jeder einzelnen Stufe die Gesamteffizienz des Herstellungsprozesses.
Upstream Process Development
Die chemischen Reaktionsschritte wurden als zusammenhängender Upstream-Prozess betrachtet. Neben der chemischen Selektivität standen Reaktionsausbeute, robuste Prozessführung und die spätere Übertragbarkeit auf grössere Massstäbe im Mittelpunkt (process development / process optimization).
Weiterverarbeitung von Zwischenprodukten ohne Aufreinigung
Mehrere Zwischenprodukte konnten ohne isolierende Reinigung direkt in der jeweils folgenden Synthesestufe weiterverarbeitet werden (telescoped processing).
Dadurch liessen sich zusätzliche Prozessoperationen vermeiden und die Prozesskette hinsichtlich Zeit-, Lösungsmittel- und Materialeinsatz vereinfachen.
Wichtig dabei ist das diese «Prozessreduktion» die nachfolgenden Ausbeuten nicht vermindert.
Billiges Downstream Processing ohne Chromatographie
Ein wesentlicher Bestandteil der Prozessoptimierung war der vollständige Verzicht auf chromatographische Reinigung. Das vereinfachte Downstream Processing reduzierte zusätzliche Aufarbeitungsoperationen und schuf günstige Voraussetzungen für die Skalierung (downstream process optimization / manufacturing readiness).
Vom Laborprozess zum skalierbaren Manufacturing-Prozess
Die Syntheseroute wurde nicht als reine Laborsynthese entwickelt, sondern mit Blick auf ihre spätere Übertragung in den Kilolabormassstab. Bereits während der Syntheseentwicklung wurden deshalb Kriterien berücksichtigt, die für industrielle Prozessentwicklung und CDMO-Projekte relevant sind.
Scale-up und Process Development
Die entwickelte Route wurde auf eine spätere Übertragung in den Kilolabormassstab ausgerichtet (scale-up / process development). Im Mittelpunkt standen robuste Reaktionsführung, reproduzierbare Prozessschritte und eine beherrschbare Aufarbeitung.
Technology Transfer in den Herstellungsprozess
Die Übertragung eines entwickelten Laborprozesses in einen grösseren Massstab erfordert mehr als eine reine Vervielfachung der Ansatzgrösse. Reaktionsbedingungen, Aufarbeitung, Materialflüsse und Prozessoperationen müssen auf den Zielmassstab übertragbar sein (technology transfer / process transfer).
Die entwickelte Syntheseroute wurde deshalb bereits mit Blick auf diese spätere Übertragung konzipier
Prozessparameter und Manufacturing Readiness
Für die Übertragung in einen grösseren Massstab müssen die einzelnen Prozessparameter gezielt optimiert werden. Dazu gehören insbesondere Reaktionszeiten, Lösungsmittel und deren Mengen, Konzentrationen, Reagenzienverhältnisse, Temperaturführung und Aufarbeitungsbedingungen.
Ziel ist es, einen robusten Prozess mit möglichst geringem Material- und Lösungsmittelverbrauch und reproduzierbaren Ergebnissen zu entwickeln (process optimization / process robustness / manufacturing readiness). Diese Optimierung schafft die Grundlage für einen erfolgreichen Technology Transfer und die spätere Herstellung im grösseren Massstab.
Von der Synthesechemie zur Prozessentwicklung
Die Arbeit war meine erste wissenschaftliche Publikation und gleichzeitig der Beginn einer mehrjährigen Zusammenarbeit mit Dr. Christian J. Leumann. Sie verband anspruchsvolle organische Synthese mit einer konsequenten Betrachtung des gesamten Herstellungsprozesses.
Meine Erste Publikation und wissenschaftliche Zusammenarbeit
Die Arbeit markierte den Beginn einer langjährigen wissenschaftlichen Zusammenarbeit und prägte meine weitere Entwicklung in der Synthesechemie.
Syntheseentwicklung mit Blick auf die Anwendung
Im Zentrum stand nicht nur die Herstellung eines komplexen Moleküls, sondern die Entwicklung einer effizienten, robusten und skalierbaren Syntheseroute (process development / scale-up).
Grundlage für spätere Prozess- und Manufacturing-Projekte
Die Verbindung von Upstream Process Development, Downstream Processing, Technology Transfer und Manufacturing wurde zu einem wichtigen Bestandteil meiner späteren Arbeit an komplexen pharmazeutischen und chemischen Herstellungsprozessen.
In dieser Zeit lerne ich etwas vom wichtigsten: In-Prozess-Analytik. Ohne In-Prozess-Analytik weist du nicht was die Reaktion gestoppt werden muss.
Verweise
→ Mehr zu Prozessoptimierung: Prozessoptimierung
→ Mehr zu therapeutische Medikamente auf Basis von RNA oder DNA
→ Mehr zu therapeutischen Antisense-Oligonukleotiden
Weitere Arbeiten von mir
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Publikationen Vonlanthen
In dieser Beitragsreihe werden die Publikation von David Vonlanthen vorgestellt.