Softwareplattformen zur Herstellung von mRNA-basierten Pharmazeutika

Die Entwick­lung per­son­al­isiert­er mRNA-basiert­er Ther­a­pi­en gegen Krebs – ist ursprünglich­es und weit­er­hin ver­fol­gtes Anliegen der Fir­ma BioN­Tech.  2019 war das Unternehmen kaum jeman­dem ein Begriff, heute ist das Mainz­er Phar­maun­ternehmen durch die Entwick­lung und Pro­duk­tion von Comir­naty, einem Impf­stoff gegen COVID-19, welt­bekan­nt. Für bei­de Anwen­dungs­fälle hat ein Forscherteam am Fraun­hofer-Insti­tut für Tech­no- und Wirtschafts­math­e­matik ITWM gemein­sam mit BioN­Tech zwei Soft­ware­plat­tfor­men für die effek­tive und opti­male Pla­nung, Steuerung und Doku­men­ta­tion der Pro­duk­tion­sprozesse entwick­elt. Die Sys­teme sind bere­its im Ein­satz und wer­den kon­tinuier­lich an sich verän­dernde Sit­u­a­tio­nen adaptiert.

BioN­Tech hat sich inner­halb weniger Jahre von einem kleinen Phar­makonz­ern zu einem inter­na­tion­al agieren­den Unternehmen mit weltweit ver­net­zter Pro­duk­tion und glob­alen Wertschöp­fungs- und Liefer­ket­ten entwick­elt. Dem Unternehmen, das mit der Entwick­lung indi­vidu­eller mRNA-basiert­er Kreb­smedika­mente startete, gelang es in Reko­rdzeit, ein Vakzin gegen COVID-19 zu entwick­eln. Sowohl die Her­stel­lung indi­vid­u­al­isiert­er Medika­mente als auch die Pro­duk­tion von hun­derten Mil­lio­nen Impf­dosen erfordert eine detail­lierte Pla­nung, Koor­di­na­tion und Steuerung der jew­eili­gen Pro­duk­tion­sprozesse. In Zusam­me­nar­beit mit BioN­Tech entwick­elte das Fraun­hofer ITWM in Kaiser­slautern zwei Soft­ware­plat­tfor­men, mit denen sich die Pla­nungs- und Steuerung­sprozesse für bei­de Anwen­dungs­fälle nicht nur real­isieren lassen, son­dern sich an immer neue Anforderun­gen anpassen lassen.

»Mit ein­er han­del­süblichen Soft­ware gelingt dies nicht. Hier ist eine Lösung mit flex­i­blen math­e­ma­tis­chen Meth­o­d­en und Mod­ellen gefragt, die maßgeschnei­dert und ganz spez­i­fisch auf die Abläufe bei BioN­Tech zugeschnit­ten sind und diese opti­mieren. Zudem unter­stützen sie langfristig sowohl eine stärkere Dif­feren­zierung der Pro­duk­te auf­grund unter­schiedlich­er reg­u­la­torisch­er Vor­gaben der Zulas­sungs­be­hör­den als auch die Automa­tisierung der Abläufe«, sagt Dr. Hein­er Ack­er­mann, Wis­senschaftler am Fraun­hofer ITWM und am Leis­tungszen­trum LZ Sim­u­la­tions- und Soft­ware­basierte Inno­va­tion Kaiserslautern.

Zu Beginn der Part­ner­schaft stand eine detail­lierte Analyse, Mod­el­lierung und Struk­turierung der Prozesse. Die Infor­ma­tio­nen stellte der Phar­makonz­ern zur Ver­fü­gung. »Zunächst galt es, die spez­i­fis­chen Erfordernisse von BioN­Tech zu struk­turi­eren und diese in die Sprache der Math­e­matik zu über­set­zen«, erläutert der Opti­mier­er, der die Entwick­lung der Soft­ware­plat­tfor­men seit Dezem­ber 2016 als Pro­jek­tleit­er verantwortet.

Kom­plexe Pharmaprozesse, vielfältige Herausforderungen

Keine leichte Auf­gabe angesichts der vielfälti­gen Anforderun­gen, die kom­plexe Pharmaprozesse wie die Pro­duk­tion indi­vid­u­al­isiert­er Kreb­smedika­mente mit sich brin­gen. Darunter fall­en beispiel­sweise die beson­deren Her­aus­forderun­gen von Bio­prozessen mit schwank­enden Prozesszeit­en und höheren Auss­chuss­rat­en zum Beispiel infolge von man­gel­haften Gewebeproben.

»In Bio­prozessen kommt es häu­fig zu Prozess­ab­we­ichun­gen und Prozesszeitschwankun­gen, den­noch müssen höch­ste Qual­ität­sansprüche erfüllt wer­den. Die Her­stel­lung indi­vid­u­al­isiert­er Arzneien unter­schei­det sich von etablierten Prozessen in der Phar­main­dus­trie. Alle Schritte müssen für jeden Kreb­spa­tien­ten und jede Kreb­spa­ti­entin mit großer Sorgfalt einzeln durchge­führt wer­den, Char­gen sind erhe­blich klein­er als herkömm­licher­weise. In Summe führt dies zu inter­es­san­ten Fra­gen­stel­lun­gen im Hin­blick auf die Gran­u­lar­ität des math­e­ma­tis­chen Mod­ells«, erläutert Ack­er­mann die Problematik.

Län­der­spez­i­fis­che Regularien

Zugle­ich bedarf es angesichts umfan­gre­ich­er län­der­spez­i­fis­ch­er reg­u­la­torisch­er Anforderun­gen sowohl bei der Kreb­s­ther­a­pie als auch bei der Impf­stof­fen­twick­lung maßgeschnei­dert­er Sched­ul­ing-Ver­fahren, um Pro­duk­tion­spläne opti­mal fortschreiben zu kön­nen. Diese liefern beispiel­sweise wichtige Infor­ma­tio­nen zu den Liefer­t­er­mi­nen der Ther­a­pie für jeden einzel­nen Patienten.

Auch set­zt BioN­Tech auf ein Net­zw­erk extern­er Dien­stleis­ter für die Pro­duk­tion von Comir­naty. Diese Lohn­her­steller sind auf bes­timmte Prozesss­chritte spezial­isiert. Das Man­a­gen dieses Net­zw­erks erfordert Anpas­sun­gen, um die reg­u­la­torischen Anforderun­gen der unter­schiedlichen Län­der, die beschränk­te Halt­barkeit von Zwis­chen­pro­duk­ten und die Weit­er­en­twick­lung des Pro­duk­ts angemessen berück­sichti­gen zu kön­nen. Bei der Impf­stof­fen­twick­lung müssen darüber hin­aus die Pro­duk­t­vari­anten in der Pro­duk­tion­s­pla­nung berück­sichtigt wer­den, etwa in Bezug auf die erforder­lichen Roh­ma­te­ri­alien, die Ver­tragspart­ner, die Kapaz­itäten und Char­gen, die Pro­duk­tion­s­maschi­nen und ‑orte.

Soft­ware mit Leuchtturmcharakter

All diese Her­aus­forderun­gen lassen sich mit den Soft­ware­plat­tfor­men des Fraun­hofer ITWM adressieren und bewälti­gen. Die Soft­warelö­sun­gen nehmen heute zen­trale Funk­tio­nen in der Pla­nung, Steuerung und Doku­men­ta­tion der Pro­duk­tion bei BioN­Tech ein und sor­gen für langfristige, sta­bile Pro­duk­tion­s­abläufe bei der Impf­stoffher­stel­lung und der Her­stel­lung indi­vid­u­al­isiert­er mRNA-basiert­er Kreb­s­ther­a­pi­en. »Die Lösun­gen unter­stützen die Pla­nung in opti­maler Weise und sind tagtäglich im Ein­satz«, so der Forsch­er. Die Plat­tfor­men wer­den sukzes­sive erweit­ert, an sich ändernde Anforderun­gen angepasst und in die IT-Land­schaft von BioN­Tech inte­gri­ert. »Dank der guten Zusam­me­nar­beit mit dem Team vom Fraun­hofer ITWM kon­nten wir BioN­Tech in erfol­gskri­tis­chen Sit­u­a­tio­nen mit pass­ge­nauen Lösun­gen unter­stützen. Die Soft­ware-opti­mierten Prozesse wer­den wir auch kün­ftig in anderen Bere­ichen ein­set­zen«, sagt Dr. Oliv­er Hen­ning, Senior Vice Pres­i­dent Oper­a­tions von BioNTech.