Downstream processing: de onzichtbare zuiveringsstap achter biotechnologie
Stel je voor dat je vers sinaasappelsap maakt. Het persen van de sinaasappels is het spectaculaire deel: de vrucht wordt gekraakt en er stroomt sap uit. Maar wat je daarna doet, bepaalt of je een drinkbaar product krijgt: het sap filteren zodat pulp en pitjes eruit zijn, het pasteuriseren zodat het niet bederft, en het afvullen in flessen. Dat tweede deel, minder zichtbaar maar minstens zo bepalend, heet in de industrie downstream processing.
In de biotechnologie werkt het vergelijkbaar. Cellen of micro-organismen worden aan het werk gezet om een gewenste stof te maken, zoals een medicijn, een vaccin of kweekvlees. Die kweekstap heet upstream processing. Maar wat uit die kweekbak komt, is een rommelig mengsel van het gewenste product, resten van cellen, voedingsstoffen en andere onzuiverheden. Downstream processing is de reeks technische stappen die dat mengsel omzet in een zuiver, veilig en bruikbaar eindproduct. Zonder deze stap is er geen medicijn, geen vaccin en geen kweekburger, maar alleen een vat troebele vloeistof.
Wat is het precies?
Downstream processing bestaat meestal uit een reeks opeenvolgende stappen, elk met een eigen doel. De exacte volgorde verschilt per product, maar het basispatroon is vergelijkbaar.
De eerste stap is celoogst: het scheiden van het gewenste product van de cellen of micro-organismen die het gemaakt hebben. Dit gebeurt vaak met centrifugatie (ronddraaien op hoge snelheid, waardoor zware deeltjes zoals cellen naar de rand worden geslingerd) of met filtratie door membranen met piepkleine poriën.
Daarna volgt vaak chromatografie, de kern van veel zuiveringsprocessen. Hierbij stroomt de vloeistof door een kolom gevuld met een speciaal materiaal (hars) dat bepaalde moleculen vasthoudt en andere doorlaat. Door de omstandigheden in de kolom te variëren, kan het gewenste eiwit of molecuul stap voor stap worden losgeweekt en gescheiden van verontreinigingen. Voor complexe producten zoals antilichamen zijn vaak meerdere chromatografiestappen na elkaar nodig.
Bij medische producten volgt vaak een stap voor virusinactivatie of -verwijdering, om te garanderen dat er geen ongewenste virusdeeltjes in het eindproduct terechtkomen. Tot slot komt de formulering: het product wordt gemengd met stabiliserende stoffen, op de juiste concentratie gebracht, gesteriliseerd en afgevuld in flacons, spuiten of andere verpakkingen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is zuiverheid en veiligheid. Toezichthouders zoals de Amerikaanse FDA en de Europese EMA stellen strenge eisen aan hoe zuiver een biofarmaceutisch product moet zijn voordat het bij mensen mag worden toegediend. Zelfs sporen van verkeerde eiwitten of DNA-resten kunnen in theorie een immuunreactie veroorzaken, dus de lat ligt hoog.
Daarnaast draait het om kosten en opschaalbaarheid. Downstream processing is berucht duur: bij veel biofarmaceutica maakt het 50 tot 80 procent van de totale productiekosten uit, meer dan de kweekstap zelf. Chromatografiehars is prijzig, de apparatuur is complex en elke extra zuiveringsstap kost tijd en product. Een groot deel van het onderzoek in dit veld is er dan ook op gericht om dezelfde zuiverheid te bereiken tegen lagere kosten en op grotere schaal, zodat producten uiteindelijk betaalbaar worden voor patiënten of consumenten.
Voorbeelden uit de praktijk
Een vroeg en invloedrijk voorbeeld is recombinant humaan insuline. Genentech ontwikkelde eind jaren zeventig een methode om bacteriën insuline te laten produceren; Eli Lilly bracht het product in 1982 onder de naam Humulin op de markt. Het zuiveren van insuline uit bacteriecultuur op industriële schaal was destijds een van de eerste grote downstream-uitdagingen in de biotechnologie.
Bij de productie van monoklonale antilichamen, zoals het kankermedicijn trastuzumab (Herceptin), is downstream processing inmiddels een volwassen, sterk geoptimaliseerd vakgebied. Deze antilichamen worden gezuiverd via meerdere chromatografiestappen die wereldwijd op vergelijkbare wijze worden toegepast.
De ontwikkeling van mRNA-vaccins tegen covid-19 door Pfizer/BioNTech en Moderna in 2020-2021 liet zien hoe downstream processing een bottleneck kan vormen bij snelle opschaling. Beperkingen in filtratiecapaciteit (met name tangentiële stroomfiltratie) en in het inkapselen van mRNA in lipide-nanodeeltjes waren belangrijke knelpunten bij het razendsnel opschalen van de productie.
In de kweekvleessector is downstream processing een van de grootste hindernissen richting betaalbare productie. Het Nederlandse bedrijf Mosa Meat, opgericht in 2016 in Maastricht door Mark Post (bekend van de eerste kweekvleesburger in 2013), en het Amerikaanse Upside Foods werken aan manieren om spiercellen efficiënt te oogsten, van het kweekmedium te scheiden en tot een vleesachtige structuur te verwerken, stappen die nog relatief duur en arbeidsintensief zijn.
Hoe ver is de techniek?
Voor gevestigde producten zoals monoklonale antilichamen en veel vaccins is downstream processing een matuur vakgebied, met gestandaardiseerde apparatuur en goed begrepen processen. De grote uitdaging daar ligt vooral in het geleidelijk verlagen van kosten en het verhogen van de doorvoersnelheid.
Voor nieuwere productcategorieën, zoals mRNA-therapieën, celtherapieën (waarbij levende cellen zelf het medicijn zijn) en kweekvlees, staat downstream processing nog volop in ontwikkeling. Hier zijn de processen vaak nog niet gestandaardiseerd, is apparatuur soms nog aangepast van andere toepassingen, en is opschalen van laboratoriumschaal naar industriële schaal een aanzienlijke technische en financiële hobbel.
Een belangrijke trend is de verschuiving van batchproductie (het produceren in afgebakende partijen) naar continue productie, waarbij het proces ononderbroken doorloopt. Bedrijven als Sanofi en het biotechnologiebedrijf Genzyme onderzoeken dit als manier om apparatuur kleiner en goedkoper te maken en de doorvoer te verhogen. Continue downstream processing staat echter nog niet overal op industriële schaal ingeburgerd en vraagt om nieuwe regelgevende kaders, omdat toezichthouders gewend zijn te controleren op basis van afzonderlijke batches.
Wie werken eraan?
Een klein aantal gespecialiseerde toeleveranciers levert het gros van de wereldwijde downstream-technologie. Sartorius (Duitsland) en Cytiva (voorheen onderdeel van GE Healthcare Life Sciences en Pall, nu onderdeel van het Amerikaanse Danaher) zijn twee van de grootste spelers op het gebied van filtratie- en chromatografiesystemen. Thermo Fisher Scientific (VS) en Merck KGaA, via zijn dochteronderneming MilliporeSigma (Duitsland), leveren eveneens breed pakket aan apparatuur en materialen. Repligen (VS) heeft zich gespecialiseerd in downstream-technologie zoals filtratiesystemen en chromatografiehars.
Op onderzoeksgebied speelt Nederland een rol via de TU Delft, waar de onderzoeksgroep Bioprocess Engineering al decennialang werkt aan efficiëntere bioproductieprocessen, en Wageningen University & Research, dat onder meer onderzoek doet naar de verwerking van kweekvlees en andere agrifoodbiotechnologie. Op farmaceutisch gebied zijn grote spelers zoals Genentech/Roche, Amgen en Sanofi zelf actief betrokken bij het optimaliseren van hun eigen downstream-processen, vaak in samenwerking met de genoemde technologieleveranciers.