Lääketeollisuus on viime vuosina muuttunut yhä enemmän entsymaattiseksi katalyysiksi perinteisen kemiallisen synteesin kestävänä vaihtoehtona. Tämän muutoksen tavoitteena on vähentää ympäristövaikutuksia ja tehostaa samalla vaikuttavien lääkkeiden ainesosien tuotantoa.Tehtyään sääntelyn tiukentamisesta ja yritysten kestävän kehityksen sitoumuksista valmistajat ottavat nyt käyttöön entsymaattisesti valmistettuja entsyymejä vaarallisten reagenssien korvaamiseksi, liuottimien käytön vähentämiseksi ja energiantarpeen vähentämiseksi.Tutkimus- ja teollisuustapaustutkimusten kasvava joukko osoittaa, että entsymaattiset prosessit voivat vastata tai ylittää tavanomaisten reittien tuottoja ja tuottaa samalla huomattavasti vähemmän jätettä.

Vihreän kemian merkitys API-tuotannossa

Green kemia periaatteet . Kuten Paul Anastas.s 12 periaatteet . korostaa vähentää vaarallisten aineiden, energiankulutus ja jätteentuotanto. Entsymaattinen katalyysi sopii täydellisesti näihin periaatteisiin tarjoamalla erityisiä, tehokkaita ja ympäristöystävällisiä reaktioita. Esimerkiksi biokatalyyttiset reaktiot toimivat tyypillisesti leudoissa olosuhteissa (ilmaston lämpötila, neutraali pH, ja alhainen paine) verrattuna moniin kemocatalyyttisiin menetelmiä, jotka vaativat korkeita lämpötiloja tai myrkyllisiä metalli katalyyttejä. Tämä luontaista leutuus ei vain parantaa turvallisuutta, vaan myös minimoida sivutuotteita ja yksinkertaistaa jatkopuhdistus.

Lääkealan paineet ovat ainutlaatuiset. API-arvot ovat monimutkaisia molekyylejä, jotka usein vaativat monivaiheisia synteesejä, jotka tuottavat 25.100 kg jätettä tuotekiloa kohti. Korvaamalla kemialliset katalyytit entsyymeillä yritykset voivat saavuttaa korkeamman atomitalouden ja vähentää E-tekijäänsä (ympäristövaikutustekijä). Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto ja American Chemical Society. Green Chemistry Institute ovat molemmat tunnustaneet entsymaattiset prosessit avaintekijäksi kestävän valmistuksen saavuttamiseksi. Lisäksi kansainvälinen innovaatio- ja laatukonsortio (International Consortium for Innovation and Quality in Pharmaceutical Development, IQ) on julkaissut teollisuuden ohjeita biokatalyysin edistämiseksi varhaisessa vaiheessa.

Yksi selkeä hyöty: entsyymit ovat biohajoavia ja peräisin uusiutuvista lähteistä, toisin kuin monet huolellisesti hävitettäviä raskasmetalli katalyyttejä. Sekä sääntelyviranomaisten että loppukäyttäjien kasvava kysyntä . Biokatalyysin integrointi kaupallisiin tuotantolinjoihin nopeutuu. Esimerkiksi Pfizerin toteuttamalla diabeteslääkkeen transaminaasipohjaisella reitillä sitagliptiini eliminoi korkeapaineisen hydrausvaiheen ja vähensi kokonaisjätettä 19 prosentilla ja parantaa tuottoa 10.

Viimeisimmät edistyneet Entsymaattinen Katalyysi

Entsyymitekniikan kehitys, kuten ohjattu kehitys ja proteiinien muuntaminen, on johtanut entsyymeihin, joiden vakaus, toiminta ja substraattien laajuus ovat parantuneet. Näiden parannusten ansiosta entsyymit voivat toimia tehokkaasti teollisissa olosuhteissa, mukaan lukien korkeat substraattipitoisuudet, orgaaniset rinnakkaisliuottimet ja kohonneet lämpötilat, joita pidettiin aikoinaan biologiseen katalyytteihin yhteensopimattomina. Frances Arnold. Nobelin palkittu Nobelin työ ohjatun kehityksen parissa tasoitti tietä räätälöidyille entsyymeille, jotka voivat hyväksyä luonnossa esiintyviä substraatteja tai toteuttaa reaktioita.

Moderni läpivientiseulonta ja laskennallinen proteiinisuunnittelu kiihdyttää uusien biokatalyyttien löytämistä. Koneoppimisalgoritmit ennustavat nyt mutaatiovaikutuksia ja ohjaavat insinöörejä kohti termostabiileja, liuotin-sietokykyisiä muunnelmia. Codexis (nykyisin osa Novozymejä) on kaupallistanut lukuisia lääkesovelluksiin kehitettyjä entsyymejä, kuten ketoreduktaseja, transaminaasit ja nitrilatseja, jotka toimivat teollisesti relevanteilla asteikoilla. Näitä entsyymejä on nyt saatavilla kaupallisissa pakkauksissa, mikä alentaa prosessin kehityslaboratorioissa tapahtuvaa käyttöönottoa koskevaa estettä.

Immobilisaatiossa olevien entsyymien kehittäminen mahdollistaa niiden uudelleenkäytön, kustannusten vähentämisen ja prosessin kestävyyden lisäämisen. Uudet biokatalysaattorit pystyvät nyt katalysoimaan monimutkaisia reaktioita, jotka olivat aiemmin haastavia tai mahdottomia perinteisillä menetelmillä, kuten epäsymmetrinen C.H.-aktivaatio, laitosselektiivinen hapettuminen ja aldolin tyyppiset kondensaatiot. Virtausbiokatalyysi ... jossa entsyymit ovat liikkumattomia pakattuihin reaktoreihin ... tarjoaa jatkuvaa tuotantoa, parempaa massasiirtoa ja yksinkertaisempaa mittakaavaa kuin eräprosesseissa.

Entsyymikascade ja monivaiheinen biotransformaatio

Viimeaikainen tutkimus on keskittynyt entsyymikaskadeihin, joissa useita biokatalyyttisia vaiheita esiintyy yhdessä reaktioastiassa ilman välieristystä. Tämä lähestymistapa jäljittelee luonnollisia aineenvaihduntareittejä ja vähentää merkittävästi liuottimien käyttöä, työvoimaa ja pääomalaitteita. Esimerkiksi HIV-lääke islatraviirin yhden potin synteesi Merck- ja Codexiksen entsyymeillä korvasi 7-vaiheisen kemiallisen reitin 3-vaiheisella biokatalyytillä, mikä johti suurempaan tuottoon ja jätteiden vähenemiseen 81 prosentilla.

Biokatalyyttisen työkalulaatikon laajentaminen

Hydrolasien ja oksidoreduktaasien lisäksi uudempia entsyymiluokkia on tulossa API-tuotantoon. Imiinireduktaasit ja ene-reduktaasit mahdollistavat prokiraalisten substraattien epäsymmetrisen vähentämisen. Hemiproteiineista valmistetut karbeenitransferaasit voivat katalysoida syklopropanaatioita ja inserttejä, jotka aiemmin olivat yksinomaan siirtymämetallikatalyyttien käyttöön. Biokatalyysin kautta nyt saavutettavien reaktioiden laajuus kasvaa nopeasti ja lupaavasti kattamaan useimmat farmaseuttisessa synteesissä tarvittavat bondien muodostumiskemistit.

Sovellukset API-synteesissä

Entsymaattiset prosessit ovat yhä enemmän käytetään synteesi kiraaliyhdisteiden, jotka ovat elintärkeitä monissa API. Niiden korkea stereoselectivity varmistaa tuotannon puhdasta enantiomeerit, vähentää tarvetta laaja puhdistus. Tämä on erityisen arvokasta kiral lääkkeitä, joissa yksi enantiomeeri on terapeuttisesti aktiivinen, kun taas toinen voi olla myrkyllinen tai inaktiivinen. Esimerkiksi blockbuster kolesterolia alentava lääke Atorvastatiini käyttää ketoreduktaasi entsyymi asettaa avain kiral keskus kanssa >99,9% enantiomeerinen yli.

Esimerkkejä ovat antibioottien (esim. kefalosporiinit penisilliini- G-asylaasia käyttäen), viruslääkkeiden (esim. HIV-proteaasinestäjä darunaviiria transaminaasin avulla) ja tulehdusta lievittävien aineiden (esim. lipaasikatalyyttisen resoluution kautta) synteesi, jossa entsyymit tarjoavat puhtaampia, turvallisempia ja kustannustehokkaampia reittejä. Antiviraalisen remdesiviirin synteettistä reittiä parannettiin korvaamalla kemiallinen fosforinmuodostuma entsymaattisella kaskadilla, joka leikkaa orgaanisen liuottimen kokonaiskäyttöä 50%.

Kaupalliset menestystarinat

Useat maamerkit osoittavat entsymaattisen API-tuotannon kypsyyden. Merck.S Januvia-välituotteen tuotannossa käytettiin transaminaasimenetelmää, joka oli suunniteltu 11:n ohjatun evoluution kierroksen läpi. Tuloksena oli 200 g/L:n substraattien kuormitus, jossa 92% tuotosta ja 99,95%:n enantiomeerinen puhtaus. Samoin Boehringer Ingelheim kehitti immobilisaation ketoreduktaasiprosessin API- välituotteelle, joka toimi yli 100 sykliä ilman merkittävää aktiivisuushäviötä.

Kiinalainen API-valmistaja laajensi hiljattain lipaasikatalyyttistä synteesiä avain statiini sivuketju 10 000-litrainen erämäärä, saavuttaa 40% vähentää kokonaistuotantokustannuksia verrattuna kemian reitti. Nämä onnistumiset ovat rohkaisevia pienempiä yrityksiä ja sopimuskehitysorganisaatioita ottamaan biokatalyysi aikaisemmin prosessin kehittämisessä.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Näistä edistysaskelista huolimatta haasteita on edelleen, kuten entsyymin vakaus ankarissa teollisissa olosuhteissa ja biokatalyyttisten prosessien skaalautuvuus. Jatkuvalla tutkimuksella pyritään voittamaan nämä esteet entsyymisuunnittelun ja prosessioptimoinnin avulla. Esimerkiksi proteiinitekniikka voi lisätä lämpövakautta ottamalla käyttöön disulfidisidoksia tai nousevan lämpötilan kehityksen avulla. Mobilisointi suojaa myös entsyymejä denaturoinnilta ja mahdollistaa jatkuvan toiminnan virtausreaktoreissa.

Substraatti ja tuotteen esto ovat yleisiä kysymyksiä, jotka vaativat huolellista reaktion suunnittelu. Fed-erä tai jatkuva annostelu strategiat voivat pitää pitoisuudet alhaisina. Liuotin suunnittelu . käyttämällä kaksivaiheisia järjestelmiä tai rinnakkaisliuottimet . voi parantaa liukoisuutta estämättä entsyymiä. Tietojenkäsittely työkalut kuten molekyylidynamiikka ja kvanttimekaniikka / molekyylimekaniikka (QM/MM) simulaatiot käytetään nyt ennustaa substraattien sitova ja ohjata suunnittelua enemmän suvaitseva vaihtoehtoja.

Entsymaattisen prosessin hyväksyminen on parantunut. Monet virastot hyväksyvät nyt biokatalyyttien reittien tiedot ilman täydellistä uusintatestausta, jos lopullinen epäpuhtausprofiili vastaa rekisteröityä prosessia. ICH Q11 -ohjeistossa mainitaan nimenomaisesti biokatalyysi hyväksyttävänä teknologiana. Yhdysvaltain FDA on antanut useita ohjeasiakirjoja, joilla kannustetaan jatkuvaan valmistukseen ja biokatalyysiin laadun parantamiseksi suunnittelusta.

Integrointi jatkuvaan valmistukseen

Entsymaattiset reaktiot ja jatkuva virtauskäsittely ovat merkittävä kasvualue. Jatkuva biotransformaatio tarjoaa paremman lämmön ja massan siirron, reaktorin volyymien pienentymisen ja prosessin nopeamman kehittämisen. Useat yritykset rakentavat jatkuvasti päästä päähän -tuotantolinjoja, joissa on useita entsymaattisen vaiheen ja in-line-puhdistuksen vaiheita. Tämä integraatio voi vähentää kokonaissykliaikaa viikoista päiviin.

Kestävä kehitys Metrics ja Life-Cycle Analysis

Hyödyn määrittämiseksi elinkaariarviointia (LCA) sovelletaan yhä enemmän entsymaattisen reitin vertaamiseksi perinteisiin menetelmiin. Esimerkiksi lipaasikatalyyttisen reitin tuore LCA-tutkimus osoitti, että globaalin lämpenemispotentiaalin väheneminen on 60 prosenttia ja vedenkulutus 70% pienempi kuin kemiallisella reitillä. Nämä mittarit auttavat perustelemaan investointeja biokatalyysiin ja tukevat ympäristömerkkien tai vihreiden kemianpalkintojen sääntely-ilmoitusta.

Entsymaattisen katalyysin tulevaisuus API-tuotannossa on lupaava, ja jatkuvan innovoinnin odotetaan tekevän vihreästä valmistuksesta lääketeollisuuden standardin. Laskusuunnittelutyökalujen kypsymisen ja korkean läpimenon jälkeen kokeilut tulevat halvemmiksi, entsyymin kehityksen aikajanat kutistuvat vuosista kuukausiin. Biokatalyysin, virtauskemian ja prosessianalyysien lähentyminen ajaa lääketeollisuuden kestävän kehityksen seuraavaa aaltoa .

Ulkoiset resurssit jatkolukemista varten