医薬品製造における酵素の応用

Application of Enzymes in Drug Manufacturing

バイオカタリシスはグリーンテクノロジーであり、ライフサイクル分析によると、組換え技術の利用は、従来の化学プロセスと比較してバイオカタリシスプロセスの持続可能性の利点を最大化する上で大きな役割を果たしています。市販されている多くの医薬品には、バイオカタリシスを主要な実現技術として部分的に製造された有効成分が含まれています。酵素の発見、供給、改良のための技術の大幅な進歩や、キラル医薬品およびグリーンケミストリーへの応用への注目の高まりにより、バイオカタリシスの利用は拡大しています。実際、市場に出ている比較的多くの医薬品には、バイオカタリシスによって生成された中間体が含まれています。合成有機化学者が利用できる酵素の種類と量が爆発的に増加したことで、バイオカタリシスはますます魅力的で実現可能な製造オプションとなっています。

酵素の供給源、品質、および規格

医薬品合成には、天然酵素ではなく、組換え過剰発現（ネイティブシステムよりも高濃度で生産される）酵素が使用されます。これにより、バイオカタリストのコストが削減され、選択性と効率が最大化され、天然由来酵素と比較して標準化と供給の安全性が向上します。食品業界向け酵素製剤の安全性評価では、生産株の毒性の可能性が主な懸念事項とされており、この懸念は生産株による経口活性毒素の合成の可能性に関連しています。生産株の毒性の可能性は、安全な系統の確立によって管理でき、これは十分に特徴付けられた非病原性・非毒性の微生物を出発点として改良株を作出することを含みます。バイオカタリストの規格を設定する際には、他の触媒活性を持つ可能性のあるタンパク質に関する酵素製剤の純度を理解する必要がある場合があります。N末端付近のタンパク質配列のわずかな変化が、異なる触媒活性を持つ類似酵素の混合物を生じることがあります。

プロセス上の課題

プロセスに関しては、酵素以外にもバイオトランスフォーメーションに添加できる添加剤があります。バイオトランスフォーメーション反応を可能にするために一般的に添加または導入される他の物質は、通常、ナイコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよびそのリン酸体（NADH、NADPH）、ピリドキサールリン酸などの補因子、グルコースや緩衝塩など、一般的に無害です。一部の酵素には金属イオンが必要であり、バイオトランスフォーメーション反応に個別に、またはバイオカタリストの一部として添加される場合があります。したがって、これらの金属補因子（銅、鉄、マンガン、マグネシウム、モリブデン、ニッケル、セレン、亜鉛など）は、その挙動を把握するためにモニタリングが必要となる場合があります。

バイオカタリスト（酵素、全細胞および関連製剤）の保存および再利用に関しては、酵素活性を保持できることが知られている条件下で保存する必要があります。冷蔵または冷凍保存する場合、スケールアップ時には注意が必要であり、加温や保持時間がラボやパイロットプラントと大きく異なる場合があり、凍結融解サイクルの長さがバイオカタリストの性能に影響を与えることがあります。酵素活性に対するサイクル時間の延長の影響は、バイオカタリストのバッチを反応に投入する前に把握しておく必要があります。

API中の残留物および不純物管理戦略

酵素を用いて製造された低分子APIに関連する潜在的な不純物には、酵素自体、他の宿主細胞タンパク質、DNA、エンドトキシン、細胞壁残渣、バイオカタリストの発酵および下流工程に由来する抗生物質などが含まれます。これらの潜在的不純物の分解により、ペプチド、アミノ酸、ポリヌクレオチドなどの追加不純物が生成される場合があります。生体分子の変性は通常、沈殿を引き起こし、物理的手法による除去の機会を提供します。タンパク質は、有機溶媒、強酸または強塩基、塩、加熱など、さまざまな処理によって変性します。DNAも有機溶媒処理により沈殿させて除去することができます。ろ過は、沈殿した生体物質の除去に有用な技術です。また、溶液中の高分子量物質の除去にも有効です。

参考文献

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Wells A S、Finch G L、Michels P C、他。有効医薬品成分の製造における酵素の使用—患者の安全性と医薬品の品質を確保するための科学的かつ安全性に基づくアプローチ[J]。Organic Process Research & Development、2017年、16(12):1986-1993。