Tätigkeitsbericht 2006

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1 Institut für Biopharmazeutische Technologie AG für Bioverfahrenstechnik und Membrantechnologie Internet Homepage: Enge Zusammenarbeit mit dem TransMIT Zentrum für Bioverfahrenstechnik und Membrantechnologie 1

2 Das Jahr 2006 war für unsere Arbeitsgruppe durch den leider absehbaren Totalschaden (Unwetter - siehe beigefügte Presseartikel) unserer gentechnischen Anlage und damit der Labore für Bioverfahrenstechnik und Zellkulturtechnik Ende Juni 2006 ein sehr bewegtes und schwieriges Jahr. Die Arbeitsgruppe setzte sich 2006 aus folgenden Mitarbeitern zusammen: Prof. Dr.-Ing. Peter Czermak Dr. rer.nat. Stephanie Gokorsch Dr. Galia Lavi Dipl.-Biol. Sarah Kornemann Dipl.-Ing. Konrad Grau Dipl.-Ing. Mehrdad Ebrahimi Dipl.-Ing. Larisa Engel Dipl.-Ing. Andre Liebler Dipl.-Biol., Dipl.-Ing. Christian Weber Dipl.-Ing. Katharina Schlechter Dipl.-Ing. Steffen Peter Sigrid Netz cand. Ing. Kai Luh (Praktikant) cand. Ing. Steffen Peter (Diplomand, Hiwi) cand. Ing. Arthur Zimbelmann (Hiwi) cand. Ing. Alexander Pohl (Diplomand, Hiwi) cand. Ing. Jens Bauer (Hiwi) cand. Ing. Maren Schneider (Hiwi) cand. Ing. Thomas Schmidts (Diplomand) cand. Ing. Ronny Michalsky (Hiwi) cand. Ing. Miriam Hensgen (Hiwi) cand. Ing. Matthias Meininger (Hiwi) Sofani Abbebe (Praktikantin) Ihre Diplomarbeiten fertigten in unserem Labor die Studierenden Christian Weber (JLU Giessen), Rene Hackel (FH Giessen-Friedberg zeitweise in Zusammenarbeit mit Uni Kalabrien) und Steffen Peter (FH Giessen-Friedberg) an. Zusätzlich waren eine Reihe von Studierenden im Rahmen ihrer Seminar- und Projektarbeiten in unsere Projekte eingebunden. 2

3 Lehre - Statistik WS 2005/2006 Vorlesungen/Seminare: Bioreaktoren und periphere Einheiten (BT 5/BPT 5) 2 SWS 48 Teilnehmer Bioprozesstechnik (BT 5) 4 SWS 25 Teilnehmer Bioproduktaufarbeitung (BPT 5/BT 5) 1 SWS 55 Teilnehmer Artificial Organs (BT 5/BPT 5/MT 6) 2 SWS 23 Teilnehmer BPS-Seminar Projektarbeit (BPT 6/BT 6) Einführung in das Berufsfeld (BPT 1/BT1) 45 Teilnehmer Praktika Bioprozesstechnik (BT 5) 4 SWS 20 Teilnehmer (4 Gruppen) Bioproduktaufarbeitung (BPT 5/BT 5) 2 SWS 29 Teilnehmer (6 Gruppen) Exkursionen Gambro, Hechingen 16 Teilnehmer SS 2006 Vorlesungen Membrantechnologie (BPT 4/BT 4) 2 SWS 35 Teilnehmer Pharmazeutische Technologie (BPT 4) 5 SWS 15 Teilnehmer Zellkulturtechnik (BPT 6/BT 6) 2 SWS 45 Teilnehmer Sicherheit biotechnischer Anlagen (BT 6/BPT 6) 2 SWS 48 Teilnehmer BPS-Seminar Projektarbeit (BPT 6/BT 6) Engineering Aspects of Animal Cell Culture and Tissue Engineering (Kansas State University Graduate Program Chemical Engineering) 1 credit 7 Teilnehmer Praktika Pharmazeutische Technologie (BPT 4) 2 SWS 14 Teilnehmer (3 Gruppen) Zellkulturtechnik (BPT 6/BT 6) 2 bzw.4 SWS 45 Teilnehmer (9 Gruppen) Exkursionen Weiss Klimatechnik, Reinraum Seminar 30 Teilnehmer Böhringer Ingelheim Vetmedica, St. Joseph, MO, USA 7 Teilnehmer Summer School (siehe Programm) Advanced Cell Cuture/Tissue Engineering 10 Teilnehmer 3

4 WS 2006/2007 Vorlesungen/Seminare: Bioreaktoren und periphere Einheiten (BT 5/BPT 5) 2 SWS 48 Teilnehmer Bioprozesstechnik (BT 5) 4 SWS 22 Teilnehmer Bioproduktaufarbeitung (BPT 5/BT 5) 1 SWS 48 Teilnehmer Lebensmittelbiotechnologie (BT 5/BPT 5) 2 SWS 24 Teilnehmer BPS-Seminar Projektarbeit (BPT 6/BT 6) Einführung in das Berufsfeld (BPT 1/BT1) 45 Teilnehmer Praktika (Notprogramm) Bioprozesstechnik (BT 5) 4 SWS 20 Teilnehmer (4 Gruppen) Bioproduktaufarbeitung (BPT 5/BT 5) 2 SWS 29 Teilnehmer (6 Gruppen) Exkursionen Christian Hansen, Pohlheim 22 Teilnehmer Eingebunden in die Lehre waren alle Mitarbeiter und bei der Pharmazeutischen Technologie zusätzlich Prof. Runkel. Frau Dr. Gokorsch übernahm sowohl in der Zellkulturtechnik als auch bei Artificial Organs einen Teil der Vorlesung und in der Zellkulturtechnik zeichnete sie verantwortlich für das Praktikum. Zusätzlich unterrichtete Frau Dr. Gokorsch im Rahmen der Summer School. Dissertationen Dirk Nehring: Process mdevelopment for the production of high titer supernatants of pseudo type vectors for the somatic gene therapy with the aid of fixed bed reactors 4

5 Diplomarbeiten Im Labor durchgeführt: Steffen Peter: Oligosaccharidsynthese mit Adsorbermembranen Christian Weber: Untersuchung zur chondrogenen Differenzierbarkeit und Kultivierbarkeit von humanen mesenchymalen Stammzellen während multipler Subkultivierung Externe Arbeiten von Prof. Czermak als 1. Referenten betreut: David Grzenia: Virus removal from biological suspension using ultrafiltration Florian Kneiding: Applied bioprocess development using Mycobacterium smegmatis as host organism Maja Wciorka: Cells as Catalysts Theodora Arslan: Untersuchung des Mischverhaltens von niedrig dosierten Pulvermischungen zur Inhalation Katharina Didzus: Prozessoptimierung für die Prolin-Produktion Paul Galka: Charakterisierung neuer Biochromatographie Träger anhand des Einflusses der Grundträger Sven Pokoj: Optimierung der Expression des Haselnussallergens Cor a 8 in Pichia pastoris Rene Hackel: Rheological behaviour of the blood of nephrotic patients and ist effect on extracorporeal blood treatment processes Malgorzata Borkiewicz: The effect of different O 2 amounts on cell differentiation and proliferation of primary osteoblasts Katharina Krause: Risikobasierte Validierung der Gebäudeautomation eines pharmazeutischen Feststoffproduktionsbetriebes Nadine Busse: Optimization of the manufacturing process of BRSV 375 MLV in air-lift bioreactors and evaluation of the BRSV 375 MLV stability during the manufacturing process Maike Rampe: Scale-up und Weiterentwicklung eines effizienten Membranbegasungssystems für Bioreaktoren Ina Hofmann: Optimization of Growth Medium for Mycobacterium smegmatis for Recovery of the Purin MspA 5

6 Im Jahr 2006 wurde eine Reihe von Projekten erfolgreich bearbeitet, weitergeführt oder abgeschlossen. Die Finanzierung der Arbeiten erfolgte durch Mittel aus der Industrie, dem Bundesministerium für Wirtschaft, dem Bundesministerium für Verbraucherschutz, dem Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Kunst und der Fachhochschule Giessen-Friedberg. Im Folgenden werden die Arbeiten kurz vorgestellt. Enzymatisch katalysierte Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden und Galacto-Konjugaten in verschiedenen kontinuierlichen Membranreaktor-Systemen Bei der enzymatischen Hydrolyse von Lactose wird, bedingt durch eine Tranferase-Aktivität der Enzyme auch ein Transfer von Galactose zu anderen Zuckern bewirkt, dabei werden Galactosyl-Oligosaccharide produziert. Diese werden im Gegensatz zur Lactose sehr langsam hydrolysiert sowohl in vivo als auch in vitro. Diese Galactosyl-Oligosaccharide werden als niedermolekulare, nicht viskose, wasserlösliche flüssige Ballaststoffe bezeichnet. Sie werden als physiologisch aktive funktionelle Lebensmittel angesehen, die das Wachstum von Bifido-Bakterien im Darm fördern und deshalb wird ihnen noch eine Reihe weiterer nützlicher Eigenschaften zur Förderung der Gesundheit zugeschrieben. Die Galactosyl- Oligosaccharide finden industrielle Anwendung als Nahrungsmittelergänzung im Kinderernährungsbereich, und sollen darüber hinaus als diätetisches Nahrungsmittel in funktionellen und präbiotischen Lebensmitteln eingesetzt werden. Im Rahmen des Projektes wurden Ergebnisse zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl- Oligosacchariden durch enzymatische Umsetzung von Lactose mittels nativer und immobilisierter kommerziell verfügbarer ß-Galactosidasen in verschiedenen kontinuierlichen Membranreaktor-Systemen erarbeitet, die notwendigen analytischen Methoden etabliert und die Ergebnisse international präsentiert. Je nach Enzymherkunft, Reaktionsbedingungen und Lactosekonzentration wurden Ausbeuten bis zu 42% Oligosaccharide am Gesamtzuckergehalt sowie unterschiedliche Zusammensetzungen an Oligosacchariden erreicht. Die seit 2001 laufenden Entwicklungsarbeiten werden kontinuierlich weitergeführt. Zur Zeit liegen die Schwerpunkte auf der Modellierung der Reaktorkonzepte, der Untersuchung alternativer Immobilisierungsmethoden mittels Chromatographiemembranen und die Optimierung der Produktanalytik. Darüber hinaus konzentriert sich die Arbeitsgruppe seit kurzem auf die selektive durch ß-Galactosidase katalysierte Galactosilierung organischer Komponenten (Galacto-Konjugate). Membrane module Feed (lactose solution) Reactor Enzyme Permeate (product) 6

7 Endotoxinentfernung aus Wässern und Lösungen Wasser für pharmazeutische Prozesse und die Dialyse muss strengeren Qualitätskriterien genügen, als Trinkwasser. Trotzdem wird in zahlreichen wissenschaftlichen Publikationen berichtet, dass Dialysewasser weltweit in vielen Kliniken mit chemischen Substanzen bzw. Mikroorganismen verunreinigt ist. Auch in Wasseraufbereitungsprozessen für die pharmazeutische Produktion müssen bakterielle Verunreinigungen und pyrogene Substanzen auf jeden Fall vermieden werden. So wird in der Regel direkt vor dem Patienten in der Dialyse bzw. direkt vor der Nutzung des hochgereinigten Wassers eine Endodtoxinfiltration vorgenommen. In Fortführung der seit 1999 laufenden Untersuchungen zum Endotoxinrückhalt von keramischen Membranen wurden weitere keramische Membranen auf ihre Eignung untersucht und die Ergebnisse publiziert. Dabei konnten erstaunliche Endotoxinabreicherungen mit verschiedenen Membranen erreicht werden. Testmedium war mit E. coli Endotoxin (Serotype 055:B5) angereichertes Reinstwasser. Aktuell werden verschiedene organische Membranen (z.b. Adsorbermembranen) in die Untersuchungen mit einbezogen. Darüber hinaus ist ein zusätzliches Projektziel durch verschiedene Methoden für die einzelnen Systeme die Abtrennmechanismen aufzuklären. Zusätzlich sind die Untersuchungen auf Wunsch von Projektpartnern auf Stoffsysteme aus der biotechnologischen Produktion erweitert worden. DV MU V AIR T M PD BV R MM M DV DP 7

8 Integrierte Gewinnung von labilen Bioprodukten aus Zellkulturen Entwicklung eines integrierten Herstellungsverfahrens zur in-line Aufkonzentrierung und Stabilisierung von labilen Zellkulturprodukten (z.b. retrovirale Partikel) mit Hilfe von Bioreaktorsystemen (Festbett-/Microcarrier) und Membranen Syntheseprodukte aus Zellkulturen werden heute vielfach für therapeutische Zwecke genutzt (monoklonale Antikörper, retrovirale Vektoren, u. a.). Dabei kommen Produktionsverfahren vom Labor- bis hin zum industriellen Maßstab zum Einsatz. Während im Labor sowohl kontinuierliche als auch batch Verfahren zur Produktion von Zellkulturprodukten angewandt werden, werden in der industrieellen Produktion fast ausschließlich batch-verfahren oder fed-batch Verfahren eingesetzt. Eine hohe Produktkonzentration ist für die effiziente Gewinnung, die durch weitere Aufkonzentration- und Abtrennungsschritte erfolgt, unbedingt erforderlich, um im Endprodukt therapeutisch wirksame Titer zu erreichen. Da diese Schritte im batch-verfahren nacheinander erfolgen, ist aus wirtschaftlichen und anwendungsspezifischen Gründen eine minimale Ausgangskonzentration des Produktes nötig, damit eine Produktion in großem Maßstab überhaupt möglich ist. Bei der batch-kultivierung bringen diese hohen Produktkonzentrationen zum Teil auch negative Rückkopplungseffekte auf die weitere Syntheseleistung der Zellen mit sich. Desweiteren kann beispielsweise die Agreggation der synthetisierten Moleküle zu Polymeren die Aufarbeitung stören oder/und aktive Zentren der Moleküle blockieren. Störend in Bezug auf die Ausbeute kann sich eine kurze Halbwertszeit des Syntheseproduktes unter den jeweiligen Kultivierungsbedingungen auswirken. Diese Nachteile von hohen Produktkonzentrationen und deren Zerfallsgeschwindigkeit machen es erforderlich, eine schnellstmögliche Abtrennung des Produktes aus dem Prozess anzustreben. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, zum einen ein effektives In-Line-Aufkonzentrations-Verfahren für Zellkulturprodukte zu entwicklen, um höhere Ausbeuten zu erzielen. Dabei wurden Ultrafiltrationsmembranen direkt im Produktionsprozess integriert, um am Modellsystem eines retroviralen Vektors eine kontinuierliche Abtrennung und gleichzeitige Aufkonzentrierung zu erreichen. Zum anderen sollen weitere Modellsysteme untersucht werden. Bioreaktion und Vektorproduktion Batch-Filtration 2 P T O 1 3 Festbett Konditionierungsgefäß Feed Ernte Retentat Filtrat Endprodukt Filtrationsleistung in Abhängigkeit von der Serumkonzentration im Medium - Deckschichtbildung 8

9 Das inzwischen erfolgreich umgesetzte Verfahren, bietet sich insbesondere für labile Zellkulturprodukte, wie retrovirale Vektoren für die Gentherapie, an und bietet damit die Chance zur Produktion der therapeutisch erforderlichen Mengen und Konzentrationen. In den letzten Jahren konzentrierten sich die Arbeiten zunächst auf die Optimierung der Produktion retroviraler Partikel im Festbettreaktor und der Etablierung der integrierten Membranfiltration in den Gesamtprozess. Dieser Projektteil ist mit der Dissertation von Dipl.-Ing Dirk Nehring abgeschlossen. Die Ergebnisse wurden inzwischen umfassend veröffentlicht. Das Forschungsgebiet wird durch neue Trägerentwicklung und deren Einsatztestung sowie durch Untersuchungen zur Virusabtrennung mittels Membranfiltration und Untersuchungen an weiteren Modellsystemen weitergeführt. Virusfiltration (in Zusammenarbeit mit Prof. Wickramasinghe) Bei der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe oder Impfstoffe werden besonders hohe Anforderungen an die Sicherheit der Produkte gestellt. Zum einen gilt es potentielle Virusverunreinigung aus Arzneimitteln sicher zu entfernen und zum anderen gilt es, wenn das Virus oder virale Vektoren/Partikel das Produkt sind, die Viren/viralen Partikel so aufzukonzentrieren, dass die erforderliche Wirkdosis bei gleichzeitig hoher Produktreinheit erreicht wird. Bei der Virusentfernung konzentriert man sich naturgemäß bei der Charkterisierung von Trennsystemen auf die kleinsten möglichen Viren z.b. Parvoviren oder Picornaviren (ca. 20 nm), wo hingegen bei der Produktkonzentrierung z.b. von Adeno assoziierten Viren (AAV, 25 nm), Murine Leukemie assoziierten Viren (MLV, nm) oder Retroviren ( nm) bzw. darauf basierenden Vektoren/Partikeln die Trennung des Produktes von möglichen pathogenen Verunreinigungen und die effektive Aufkonzentrierung im Vordergrund stehen. Zu diesen Zwecken hat sich der Einsatz von Ultra- und Nanofiltrationsmembranen sowie die Verwendung von sogenannten Chromatographie-Membranen bewährt. Beispiel: Filtration des Aedes aegypti Densonucleosis Virus (AeDNV ca. 22 nm Durchmesser), pathogen gegen verschiedene Mosquito-Spezies, mit verschiedenen UF-Membranen. Mit 30, 50 und 100 kd Membranen erhileten wir Virus freies Filtrat. Selbst mit 300 kd Membranen konnte der Virus noch angereichert werden. Neben der Untersuchung von Membranen für weitere Virussysteme und der Produktion dieser Viren, z.b. mit Insektenzelllinien, steht in nächster Zukunft die Charakterisierung der Leistungsfähigkeit neuer Membranstrukturen an. Ziel dieser Untersuchungen ist es, eine Methode zu entwicklen, bei der mit nicht infektiösen Viruspartikeln die Charakterisierung von Membranen durchgeführt werden kann und auf dieser Basis ein Integritätstest für die Membranen aufgebaut werden kann. Das größte Problem in diesem Zusammenhang ist die sichere und reproduzierbare Detektion der viralen Partikel, denn aufgrund der fehlenden Infektiosität kann mit den klassischen zellbasierten Methoden wie z.b. Plaque-Test oder Lyse-Test (hier werden Zellen infiziert und die infizierten Zellen bzw. vitalen Zellen gezählt) nicht gearbeitet werden. Die Projekte werden bis wieder ein geeignetes Labor in Giessen zur Verfügung steht, an der Kansas State University und der Colorado State University im Rahmen der Diplomarbeiten von Miriam Hensgen und Ronald Michalsky weitergeführt. Den Kollegen Pfromm, Pasarelli und Wickramasinghe sei herzlich gedankt. 9

10 Tissue Engineering: Entwicklung von Bioreaktor-Systemen für die hydrodynamische und mechanische Stimulation von primären Chondrozyten (z.b. Bandscheibenzellen) und humanen mesenchymalen Stammzellen (hmscs) Im Rahmen dieses vom Land Hessen und dem BMBF geförderten Projektes wurden zwei Bioreaktor-Systeme entwickelt, um Bandscheibenzellen zur Synthese einer autologen extrazellulären Matrix anzuregen. Die Reaktoren sind zudem für die Immobilisierung, und Stimulation verschiedener Zell-Arten geeignet. Das System ist komplett sterilisierbar und wiederverwendbar. Für die Untersuchungen im Rahmen des Tissue Engineering wurden Bandscheibenzellen vom Schwein in Agarose, Alginat oder Fibrin immobilisiert, um ein dreidimensionales Zell-Matrix-Konstrukt zu erhalten. Diese Konstrukte wurden über verschiedene Zeitspannen mit intermittierenden hydrostatischen Drücken oder mechnischen Druckbelastungen beaufschlagt. Danach wurden die Konstrukte histologisch und biochemisch auf die Bildung extrazellulärer Matrix hin untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Bildung der Matrix in Abhängigkeit von den angelegten Drücken und Druckprofilen. Nachdem die Projektförderung 2004 ausgelaufen war und die ersten Ergebnisse international präsentiert worden sind, wurden die Arbeiten zunächst mit Mitteln des Institutes weitergeführt. Im kommenden Jahr wird das Tissue Enginnering als eines der FuE Ziele der Arbeitsgruppe Jahr weitergeführt. Die Schwerpunkte werden dabei auf dem Einsatz von humanen mesenchymalen Stammzellen (hmscs), der Verbesserung der Isolierung von Primärzellen und Untersuchungen zur Stimulation der verschiedenen Zelltypen liegen. Kompatible Solute als Wirkstoffe zur Behandlung der atopischen Dermatitis (in Zusammenarbeit mit Prof. Runkel) Untersuchungen zur Eignung der kompatiblen Solute für die Behandlung der atopischen Dermatitis - Entwicklung einer geeigneten Galenik zur Applikation dieser Wirkstoffe auf der Haut (unterschiedliche Technologien zur Herstellung von Mikro-/Nanoemulsionen) Atopische Dermatosen werden heute durch eine Vielzahl von unterschiedlichsten Medikamenten und Pflegemittel behandelt. Standard ist es jedoch bei Krankheitsschüben Corticoide einzusetzen. Ein Ziel jeder Behandlung muß es sein, den Corticoideinsatz so niedrig wie möglich zu gestalten, da selbst die nicht resorbierbaren Cortisone mit nicht unerheblichen Nebenwirkungen behaftet sind. Die im Projekt zu bearbeitenden Substanzklasse wird bisher nicht zur Behandlung von Krankheiten insbesondere von atopischen Dermatosen und anderen allergischen Hauterkrankungen eingesetzt. Im Gegensatz zu Corticoiden bieten sie aber den Vorteil, dass sie nach ersten Untersuchungen weniger unerwünschte Nebenwirkungen erwarten lassen. Bei den kompatiblen Soluten handelt es sich um eine Gruppe von Substanzen, die unterschiedliche chemische Strukturen aufweisen. Da daraus unterschiedliche galenische Eigenschaften folgen, fällt der galenischen Verarbeitung im Projekt besondere Bedeutung zu. Deshalb wurden zunächst unterschiedliche galenische Formulierungen entwickelt, die in der Lage sind, bei dermatologischen Erkrankungen eingesetzt zu werden. Speziell wurden Emulsionen respektive Mikro/Nano- Emulsionen hergestellt, die eine optimale Verteilung auf den erkrankten Hautflächen gewährleisten und sicherstellen, dass der Wirkstoff die Epidermis erreicht. Die entwickelten galenischen Formulierungen (Spray) wurden für vorklinische Untersuchungen und Phase I Studien zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus wurden für die entwickelten Formulierungen auf Basis von Mikro-/Nanoemulsionen auf ihre Penetrationseigenschaften in und durch die Haut getestet. Dazu wurden die Einflüsse, z. B. der Herstellungstechnik, der Tröpfchengröße und der Tröpfchengrößenverteilung sowie des Emulgatorstoffsystems und der Emulgatorkonzentration, auf das Penetrationsverhalten in verschiedenen Hautmodellen untersucht. 10

11 Die Entwicklung von galenischen Formulierungen zur Anwendung auf der Haut wird intensiv weitergeführt. Dabei steht neben der Optimierung und mathematischen Modellierung der Herstellungstechnologie (Membran-Emulsifikation) die Etablierung von geeigneten Hautmodellen im Vordergrund µm TMP (bar) 11

12 Entwicklung eines transportablen Bioreaktors auf der Basis von Latentwärmespeicherenergie zur Kultivierung von Zellkulturen und Mikroorganismen während des Transportes (Projekt beendet am ) Im Rahmen dieses Forschungsvorhaben mit der Firma Delta T wird ein neuartiges transportables Kultivierungssystem auf der Basis von Latentwärmespeichertechnologie für die Kultivierung bzw. Inkubation von Laborproben, Mikroorganismen und Zellen entwickelt. Dabei soll während einer vorgegebenen Transportzeit eine Temperaturkonstanz bei gleichzeitig konstanter CO 2-Atmosphäre im System erreicht werden. Das System erfüllt alle Anforderungen an ein modernes Kultursystem. Je nach Anforderung werden die technischen Komponenten zur Steuerung, Regelung und Steriltechnik in das System integriert werden. Ortsfest installiert bietet der Bioreaktor eine Alternative zum Labor-Brutschrank für kleine Laboratorien. Vorteile des entwickelten Systems sind: eine unabhängige CO2-Versorgung durch integrierte Kartusche, Temperaturkonstanz durch Latentwärmespeicher und Vakuumpaneele, 12V DC oder V AC-(Netz) Betrieb, Anschluß an externe CO 2-Versorgung möglich und eine einfache Reinigung mit handelsüblichen Desinfektionsmitteln. Das System wurde auf der ACHEMA 2006, dem 13. Innovationstag der AIF 2006 und auf der MEDICA 2006 vorgestellt. 12

13 Ersatz des Fötalen Kälberserums im Embryonalen Stammzelltest (Durchführung am Institut für Risikoforschung, Berlin - Projekt beendet am ) Der bei der ZEBET (Bundesinstitut für Risikofoschung) entwickelte Embryonale Stammzelltest (EST) ist eine wissenschaftlich validierte in vitro-methode, mit der das embryotoxische bzw. teratogene Potential chemischer Substanzen bestimmt werden kann. Der EST wurde als Ersatz- bzw. Ergänzungsmethode zu konventionellen Tierversuchen entwickelt und basiert auf der Verwendung embryonaler Stammzellen der Maus (ES-Zellen), einer etablierten permanenten Zelllinie. Der EST nutzt die Fähigkeit der ES-Zellen, unter bestimmten Kultivierungsbedingungen in kontrahierende Herzmuskelzellen zu differenzieren, um das embryotoxische Potential einer Substanz durch deren Einfluss auf diesen Differenzierungsweg zu bestimmen. Für die fortlaufende Passagierung der undifferenzierten ES-Zellen als auch für deren Entwicklung zu differenzierten Herzmuskelzellen ist es bis heute dringend erforderlich, dem Kultivierungsmedium fötales Kälberserum (FCS) zuzugegeben. Das FCS besteht jedoch aus einer Vielzahl unterschiedlicher und nur zum Teil definierter Komponenten, welche z.b. die Zellteilung beeinflussen oder eine Differenzierung der ES-Zellen induzieren können. Für eine Standardisierung dieses Testsystems wäre es daher von sehr großem Nutzen, das FCS durch definierte Formulierungen zu ersetzen, die zum einen die fortlaufende Passagierung der undifferenzierten ES-Zellen und zum anderen eine Entwicklung zu differenzierten Herzmuskelzellen gewährleisten. Im Rahmen des Projektes wurden weiterführende Recherchen und Versuche zur gezielten Induktion differenzierter Herzmuskelzellen aus undifferenzierten ES-Zellen unter vollends definierten Bedingungen vorgenommen, die zu einem verbesserten bzw. optimierten Differenzierungsprotokoll führten. Entwicklung eines GMP-gerechten, geschlossenen Produktionssystems zur Herstellung von Transplantaten zur Zell-Therapie - Microencapsulation-based cell therapy Die Entwicklung implantierbarer therapeutischer Zellsysteme (CellBeads ) basierend auf dem Prinzip der Mikroverkapselung, ermöglicht die Transplantation von allogenen, genetisch modifizierten Wirkstoff sekretierenden Zellen ohne die Notwendigkeit einer Immunsuppression. Ziel des Forschungsprojektes ist es für einen mehrstufigen pharmazeutischen Produktionsprozess zur Herstellung von implantierbaren therapeutischen Zellsystemen zwei unterschiedliche den GMP Anforderungen gerecht werdende Kultivierungssysteme zu entwickeln. Ein System zur Vermehrung der noch nicht ausdifferenzierten Zellen vor der Verkapselung der Zellen und ein zweites Kultivierungssystem für den Differenzierungsprozess nach der Verkapselung der Zellen. Eine manuelle Kulturführung ist zeitintensiv und damit zu teuer und aufgrund der erforderlichen Reproduzierbarkeit des Prozesses nicht durchführbar. Es werden daher automatisierte Zellkultursysteme für beide Prozesse angestrebt, die entwickelt und validiert werden sollen. Beide Systeme sollen komplett geschlossene Zellkultursysteme sein, so dass sie in der Reinraumklasse C betrieben werden können. Das Projekt wird solange in Gießen keine geeigneten Labore zur Verfügung stehen an der TU Hamburg-Harburg weitergeführt. Der AG von Dr. Pörtner, die spontan Laborflächen zur Verfügung stellte, sei auch an dieser Stelle noch mal gedankt. Ebenso dem Projektpartner, der Cellmed AG, die trotz der widrigen Umstände am Projekt mit unserer AG festgehalten haben. 13

14 Kooperationspartner in 2006 Prof. Dr. Frank Runkel, IBPT Prof. Dr.-Ing. Gerardo Catapano, Universität von Kalabrien, Italien PD Dr.-Ing. Ralf Pörtner, AG Bioverfahrenstechnik, TU Hamburg Harburg Prof. Dr.-Ing. Peter Pfromm, Kansas State University, Manhattan, USA Prof. Dr.-Ing. Mary Rezac, Kansas State University, Manhattan, USA Prof. Dr.-Ing. Ranil Wickramasinghe, Colorado State University, USA Prof. Dr.-Ing. Roberto Gonzalez, Matanzas University, Cuba Prof. Dr. Zhen Chen, Tsinghua University, Peking, China Delta T GmbH, Gießen Applikon Biotechnology b.v., Schiedam, Niederlande Engelhard Arzneimittel GmbH & Co KG, Niederdorfelden Pall Deutschland GmbH, Dreieich ThyssenKrupp Uhde GmbH, Bad Soden Cellmed AG, Alzenau Prof. Dr.-Ing. Ulrich Müller, Fachhochschule Lippe und Höxter Prof. Dr. Dieter Eibl, Fachhochschule Zürich/Wädenswil Prof. Dr. Regine Eibl, Fachhochschule Zürich/Wädenswil Aktuelle und geplante Forschungsschwerpunkte der AG für 2007: Entwicklung spezieller Bioreaktorkonzepte und integrierter Verfahren für die Kultivierung von Zellkulturen für die Produktion von Viren und Viruspartikeln sowie von therapeutischen Proteinen und für die Kultivierung und Stimulation von Gewebekulturen (Tissue Engineering) Entwicklung spezieller Bioreaktorkonzepte und integrierter Verfahren für enzymatisch katalysierte Synthesen Entwicklung von membrangestützten Strategien und Konzepten zur Entfernung von Viren, Viruspartikeln und Endotoxinen aus Prozesslösungen Entwicklung integrierter Verfahren zur Herstellung von Mikro- und Nanoemulsionen sowie von Nanopartikeln als Drug Delivery Systeme 14

15 Veröffentlichungen K. Würges, P. H. Pfromm, M. E. Rezac, P. Czermak: Fumed silica activated subtilisin Carlsberg for catalysis in hexane: Performance in a packed bed reactor, AIChE Journal 53 (2007) 1, p D. Grzenia, Specht R., B.B. Han, J.O. Carlson, P. Czermak, S. R. Wickramasinghe: Purification of Densonucleosis Virus by Tangential Flow Filtration, Biotechnology Progress 22 (2006) 5, p Ebrahimi, M., R. Gonzalez, P. Czermak: Experimental and Theoretical Study of Galactosyl-Oligosaccharides Formation in CRMR by Thermostable Mesophilic Enzymes, Desalination 200 (2006) 1-3, p Ebrahimi, M., L. Engel, S. Peter, K. Grau, P. Czermak: Membrane Supported Enzymatic Synthesis of Galactosyl-Oligosaccharides, Desalination 200 (2006) 1-3, p Ebrahimi, M., R. Hackel, G. Catapano, P. Czermak: Preliminary Analysis of the Factors Determining Bacterial Fragment Removal from Water of Different Commercial Ceramic and Polymeric Membranes, Desalination 200 (2006) 1-3, p Nehring, D., Gonzalez, R, Pörtner R, Czermak, P.: Experimental and modelling study of different process modes for retroviral production in a fixed bed reactor, Journal of Biotechnology 122 (2006) 2, Czermak, P., M. Walz, G. Catapano: Analysis of in vitro Continuous wet-dry CO 2 removal with hydrophilic membranes from slowly flowing blood, Journal of Membrane Science 273 (2006) p Nehring, D., R. Poertner, P. Czermak: Using Continuous Integrated Membrane Filtration for the Production of Pseudotype Vectors in a Fixed Bed Reactor, Extended Abstracts, Paper 684c, AIChE 2006 Annual Meeting, San Francisco, USA 9. Lavi, G., M. Ebrahimi, T. Schmidts, F. Runkel, P. Czermak: Development and Production of Oil-in- Water Vehicles Microemulsion for Dermal Application of Ectoin, Extended Abstracts, Paper 439e, AIChE 2006 Annual Meeting, San Francisco, USA 10. Czermak, P., Gokorsch. S.: Transportabler Bioreaktor - Temperatur und CO2 kontrolliert, Technik & Mensch VDI Frankfurt/Darmstadt II/2006, p. 4-5 Vorträge Czermak, P.: Bioreactor Systems for the Stimulation of Intervertebral Disc Cells In-vitro, Seminar Series Colorado State University, , Fort Collins, USA 2. Gonzalez, R., L. Curiel, M. Ebrahimi, P. Czermak: Galactosyl-oligosaccharides Formation in Continuous Recycled Membrane Reactor System: Experimental and Modeling Study, TO 507, Congresso Brasileiro de Engenharia Química, COBEQ 2006, September 24-27, Sao Paulo, Brasil 3. Gonzalez, R., L. Curiel, M. Ebrahimi, P. Czermak: Modeling Galactosyl-oligosaccharides Formation in Continuous Recycled Membrane Reactor System, TO 505, Congresso Brasileiro de Engenharia Química), COBEQ 2006, September 24-27, Sao Paulo, Brasil 4. Nehring, D., R. Poertner, P. Czermak: Using Continuous Integrated Micro Filtration for the Production of Pseudotype Vectors in a Fixed Bed Reactor, AIChE 2006 Annual Meeting, San Francisco, USA, Wickramasinghe, R., D. Grzenia, P. Czermak: Virus Capture by Tangential Flow Filtration, AIChE 2006 Annual Meeting, San Francisco, USA, Czermak, P.: Ingenieurwissenschaftliche Aspekte der angewandten Biotechnologie, Lunch Time Seminar, , Justus Liebig Universität Giessen Posterpräsentationen Hofmann, I., F. Kneiding, S. Bossmann, M.R. Pokhrel, M. Basel, M. Niederweis, P. Pfromm, P. Czermak: Optimization of the groeth medium for Mycobacterium smegmatis for recovery of the porin MspA, 35th Annual Biochemical Engineering Symposium, , Rapid City, South Dakota, USA 15

16 2. Gokorsch, S., D. Nehring, M. Ebrahimi, C. Weber, P. Czermak: CO 2- and Temperature controlled transportable Bioreactor, ACHEMA 2006, , Frankfurt 3. Gokorsch, S., D. Nehring, M. Ebrahimi, C. Weber, P. Czermak: Transportabler Bioreaktor mit CO 2- und Temperatur-Regelung, 13. AIF Innovationsforum, , Berlin 4. Ebrahimi M., R. Hackel, P. Czermak, G. Catapano: Removal of bacterial fragments (LPS) from dialysis water with ceramic and adsorber polymeric commercial membranes, 23. Congress of the European Society for Artificial Organs - ESAO 2006, June 21-24, Umea, Schweden 5. Ebrahimi, M., R. Gonzalez, P. Czermak: Experimental and Theoretical Study of Galactosyl-Oligosaccharides Formation in CRMR by Thermostable Mesophilic Enzymes, EUROMEMBRANE 2006, September 24-28, 2006, Taormina, Italy 6. Ebrahimi, M., L. Engel, S. Peter, K. Grau, P. Czermak: Membrane Supported Enzymatic Synthesis of Galactosyl-Oligosaccharides, EUROMEMBRANE 2006, September 24-28, 2006, Taormina, Italy 7. Ebrahimi, M., R. Hackel, G. Catapano, P. Czermak: Preliminary Analysis of the Factors Determining Bacterial Fragment Removal from Water of Different Commercial Ceramic and Polymeric Membranes, EUROMEMBRANE 2006, September 24-28, 2006, Taormina, Italy 8. Weber, C., S. Gokorsch, P. Czermak: Untersuchung zur chondrogenen Differenzierbarkeit von humanen mesenchymalen Stammzellen nach extensiver Subkultivierung, 13. Heiligenstädter Kolloquium, Technische Systeme für Biotechnologie und Umwelt, , Heiligenstadt 9. Czermak, P., M. Borkiewicz, S. Gokorsch, G. Catapano: Expansion of primary osteoblasts under lower-than-normal gaseous oxygen tension: preliminary evidences, Heiligenstädter Kolloquium, Technische Systeme für Biotechnologie und Umwelt, , Heiligenstadt 10. Czermak, P., M. Jung, H. van den Berg: Ceramic Sparger: Microsparging Aeration for Cell Cultures, Metabolic Engineering VI: From rdna towards Engineering Biological Systems, , Noordwijkerhout, Netherlands 11. Lavi, G., M. Ebrahimi, T. Schmidts, F. Runkel, P. Czermak: Development and Production of Oil-in- Water Vehicles Microemulsion for Dermal Application of Ectoin, AIChE 2006 Annual Meeting, San Francisco, USA, Wahlen und Ernennungen von Prof. Czermak Wahl zum 2. Vorsitzenden des Bezirkvereins Mittelhessen e.v. des Vereins Deutscher Ingenieure ( ) Wahl zum Vorsitzenden der Fachgesellschaft KUT des Vereins Deutscher Ingenieure ( ) 16

17 Sonstige Veranstaltungen Gemeinsamer Stand auf der ACHEMA 2006 und auf der MEDICA 2006 Präsentation des transportablen Bioreaktors Teilnahme am 13. AIF Innovationsforum in Berlin Organisation und Durchführung Summer School Advanced Cell Culture/Tissue Engineering Presse/Funk/Fernsehen Neben dem dramatischen Ereignis des Totalschadens unserer gentechnischen Anlage, worüber Presse, Funk und Fernsehen berichtete, galt besondere Aufmerksamkeit unserem Projekt Transportabler Bioreaktor, welches auf der ACHEMA 2006, MEDICA 2006 und auf dem AIF-Innovationsforum vorgestellt wurde. Preise Frau Angelina Wolf erhielt für ihre Diplomarbeit Retrospektive Qualifizierung einer etablierten Produktionsanlage zur Reinigung von Leerampullen in einem mittelständischen pharmazeutischen Unternehmen im März 2006 den Robert Paul Kling Preis des Vereins Deutscher Ingenieure verliehen. Firmengründung 2006 wurde von Prof. Runkel, Dipl.-Ing. Thomas Schmidts und Prof. Czermak die RSC-Pharma Eng. LTD. (Sitz in Wales, UK) und RSC-Pharma LTD & Co KG (Sitz in Gießen) gegründet. Direktor der beiden Unternehmen ist Dipl.-Ing. T. Schmidts, Mitarbeiter des IBPT. Ziel der Unternehmen ist die Vermarktung von Know How und die Entwicklung von Produkten und Prozessen für die biopharmazeutische Industrie. 17