Optimization of a PEGylation process

Abstract

The PEGylation process is a covalent attachment between a protein (the pharmaceutical) and poly ethylene glycol (PEG) and since the beginning in 1977 PEGylation processes have been used to improve pharmaceuticals. PEGylation of a pharmaceutical achieves improved properties like greater solubility in water, longer residence time in vivo and extended shelf life.
The PEGylation process is in general conducted with a batch reactor connected to a size exclusion chromatography (SEC) column or more common an ion exchange chromatography (IEC) column. The batch reactor achieves a yield of monoPEGylated protein at approximately 60 % and a 10 % yield of multiPEGylated proteins. Other processes are still under development like the size exclusion reaction chromatography (SERC).
The report contains two parts, an experimental part and a simulation part. The experimental section tests the batch reactor in order to calibrate the kinetic constants. Experiments with a SERC column were also conducted. The simulation section created models for the batch reactor, the SEC column and the SERC column. The batch reactor model includes four reactions, three PEGylation reactions and one deactivation reaction. Both the SEC column and the SERC column are described with the General rate model. The SERC column is combined with a recirculation cycle and optimized for different objectives.
The experimental results show fast kinetic reactions for the PEGylation that is suitable for the SERC column. The SERC column experiments resulted in a selective monoPEGylated protein production. The simulations resulted in a monoPEGylated protein yield at 82.3 % when recirculating the unPEGylated protein nine times.
In future research a more detailed recirculation cycle can be simulated and validated with experiments. Also an automated injection loop where the reactants are mixed when entering the SERC column is able to improve the results.

Popular Abstract (Swedish)

Dagens krav på läkemedel är höga, de ska t.ex. stanna kvar i kroppen under lång tid, ha lång hållbarhetstid och vara lätt att dosera. Att PEGylera ett läkemedel kan ge dessa egenskaper. Idag är dock denna tillverkningsprocess långsam och ger ett lågt utbyte. Size Exclusion Reaction Chromatography (SERC) är en ny teknik som förhoppningsvis ska förbättra denna process.
Protein är idag vanligt förekommande som läkemedel. De är lätta att producera och kroppen har lätt för att ta åt sig medicinen. Nackdelen med dessa läkemedel är att kroppen med hjälp av bl.a. njurarna kan filtrera bort innan medicinen kan ge full effekt. Proteinen kan även ha korta hållbarhetstider. Detta har forskarna löst genom att koppla på en lång kolkedja till proteinet. Denna kolkedja kallas för Poly-EtylenGlykol (PEG) därav namnet PEGylering för själva processen. PEG tillsammans med proteinet bildar en molekyl som inte filtreras bort av njurarna och där-för kan stanna längre i kroppen. Molekylen blir även lättare att lösa upp i vatten samt att den får en bättre hållbarhetstid.
Processen som används idag går ut på att PEG tillsammans med proteinet blandas i en satsreaktor där dessa får reagera under en längre tid. Resultatet av detta är att man får ut en viss del protein som inte har hunnit reagera, en del som har bildat rätt kombination av en PEG-kedja och ett protein. Men det kommer även ut en del protein som kopplats samman med flera PEG-kedjor, så kallat multiPEGylerat protein. Detta innebär att bara ca 60 % av proteinet som tillsätts till reaktorn kan användas som läkemedel. Resten (40 %) går direkt till papperskorgen då dessa molekyler inte är godkända av läkemedels-verket.
För att undvika att få stora delar multiPEGylerat protein kan SERC-processen utnyttjas. SERC-processen använder sig av molekylernas storlek för att separera produkten innan en ny PEG-kedja kan kopplas ihop. En förstorad SERC-kolonn kan besk-rivas som en cylinder fylld med innebandy-bollar. Atomer representeras som sandkorn och molekyler t.ex. PEG och protein som mindre stenar. Stora molekyler som PEGylerade protein kan ses som stora stenar. Sandkorn och mindre stenar kan utan problem ta sig in i bollarnas hål. Reaktionen mellan PEG-kedjan och protein innebär att två små stenar bildar en stor. Eftersom sandkorn och små stenar kan röra sig fritt i cylindern tar dessa lång tid att ta sig igenom cylindern. De stora stenarna däremot kommer inte in i bollarna och kan därför bara röra sig mellan dessa. I och med detta kommer stora stenar att ta sig igenom cylindern mycket snabbare.
PEG-kedjan tillsammans med proteinet kan under en längre tid reagera inne i SERC-kolonnen samtidigt som de transporteras genom kolonnen. Produkten monoPEGylerat protein kan tack vare sin stora storlek förflytta sig snabbare genom kolonnen, och därmed undvika att PEGyleras en gång till.
Resultatet av denna nya metod blir en pro-cess som inte bara har möjligheten att minska mängden multiPEGylerade protein, utan även öka mängden användbart läkemedel till ca 80 %. Till skillnad från en satsreaktor som behöver rena produkten från övriga ingredienser efter reaktionen, så sker detta redan inuti själva SERC-kolonnen.

• author: Tegnér, Fredrik
• supervisor: Niklas Andersson; Anton Sellberg; Bernt Nilsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KET920 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: SERC reactor, Simulation, PEGylation, Optimization, chemical engineering, kemiteknik
• language: English
• id: 5435693
• date added to LUP: 2015-06-12 08:34:16
• date last changed: 2015-06-12 08:34:16