Downstream Process Scientist

Downstream er anden halvdel af biologisk produktion. Cellerne har lavet produktet. Nu ligger det i en tank sammen med cellerester, DNA, værtsproteiner og medierester. Downstream fjerner alt det andet.

Udfordringen er, at proteiner er skrøbelige. De tåler dårligt skiftende pH, tryk og skæring. Man skal fjerne 99,9 procent af urenhederne uden at ødelægge det, man vil beholde. Hvert trin koster udbytte.

En typisk rensekæde ser sådan ud:

• Høst: cellerne fjernes med centrifugering eller dybdefiltrering
• Opsamling (capture): første kromatografitrin, ofte Protein A ved antistoffer
• Virusinaktivering: lav pH eller detergent, et krav ved produkter fra pattedyrceller
• Polering: yderligere kromatografitrin, typisk ionbytning og hydrofob interaktion
• Virusfiltrering: filtre med porer små nok til at tilbageholde virus
• Koncentrering og bufferskift: tangential flow filtration (UF/DF)
• Sterilfiltrering og aflevering til formulering

Typiske opgaver:

• Screene harpikser (resins) og finde den rigtige søjle til produktet
• Optimere buffere, pH, ledningsevne, flowhastighed og elueringsprofil
• Køre forsøg på ÄKTA-anlæg og evaluere kromatogrammer trin for trin
• Beregne søjlens kapacitet og bestemme, hvor meget der kan lastes uden tab
• Dokumentere clearance af værtscelleproteiner, DNA, Protein A-udvaskning og aggregater
• Køre virusclearance-studier hos et eksternt laboratorium med modelvirus
• Fastlægge harpiksens levetid: hvor mange gange kan søjlen genbruges og renses
• Designe forsøgsserier statistisk med Design of Experiments
• Skalere op: samme bedhøjde, længere diameter og længere kørselstid i produktion
• Definere kritiske proceparametre og kvalitetsattributter (CPP og CQA) for rensetrinnene
• Overdrage processen til produktionen og stå ved anlægget under de første kørsler
• Skrive udviklingsrapporter og bidrage til modul 3 i ansøgningen om markedsføringstilladelse

En almindelig dag er anlæg, kromatogrammer og analyser. Morgenen går med at sætte en ÄKTA-kørsel op med tre forskellige buffere. Mens den kører, analyserer man gårsdagens fraktioner på HPLC. Efter frokost viser tallene, at renheden er høj, men udbyttet er faldet til 62 procent. Man finder ud af, at produktet binder for hårdt og skal have en anden salt-koncentration. Sidst på dagen planlægger man næste serie.

Downstream har en anden rytme end upstream. En kromatografikørsel tager timer, ikke dage. Man kan nå flere forsøg på en uge. Til gengæld er der mange trin, der skal spille sammen, og et tab i hvert trin ganges sammen til sidst.

Det svære er balancen mellem renhed og udbytte. Man kan altid få produktet renere ved at smide mere væk. Kunsten er at gøre begge dele godt nok — og at kunne bevise det med analyser.

Hvilken lovgivning dækker denne rolle?

Titlen kræver ingen autorisation, men rensetrinnene er stramt reguleret. EU's GMP-regler i EudraLex Volume 4 gælder for lægemiddelproduktion, og Bilag 2 dækker biologiske lægemidler til mennesker. Retningslinjen ICH Q5A om virussikkerhed stiller krav om dokumenteret virusinaktivering og virusfjernelse i produkter fra cellelinjer, og ICH Q6B fastlægger specifikationer for biologiske produkter. ICH Q8, Q9 og Q11 beskriver, hvordan valget af proceparametre og deres grænser skal begrundes. Lægemiddelstyrelsen udsteder fremstillingstilladelse og fører GMP-inspektion i Danmark, mens materialer og hjælpestoffer skal leve op til Ph.Eur., den europæiske farmakopé.

Man kommer ind med en teknisk-naturvidenskabelig uddannelse, hvor proteinkemi og separationsteknik indgår.

De mest brugte danske uddannelser:

• Civilingeniør i bioteknologi — DTU eller Aalborg Universitet, fem år i alt
• Civilingeniør i kemi og bioteknologi eller kemiteknik — DTU, AAU eller SDU. Stærk på separationsprocesser
• Cand.scient. i biokemi, proteinkemi eller biotechnology — Københavns Universitet, Aarhus Universitet eller DTU
• Cand.pharm. — bruges også, især i formuleringsnære roller
• Diplomingeniør i kemiteknik eller bioteknologi — 3,5 år med praktik. Produktionsnær profil
• Laborant — professionsbachelor på 3,5 år. Kommer ofte ind som tekniker med hands-on ÄKTA-erfaring og arbejder sig op

Adgangskravet til ingeniøruddannelserne er typisk Matematik A, Fysik B og Kemi B.

De fag, der tæller mest, er proteinkemi, kromatografi, membranteknologi og enhedsoperationer. Man skal forstå, hvorfor et protein binder til en søjle, ikke bare hvordan man trykker på knappen. Praktisk erfaring med ÄKTA fra speciale eller studiejob vejer meget.

En ph.d. er ikke et krav, men er almindelig i stillinger med titlen scientist eller senior scientist. Uden ph.d. hedder titlen ofte process engineer, downstream technician eller research associate i starten.

Alternative veje ind i faget:

• Via speciale eller studiejob hos Novo Nordisk, Bavarian Nordic, Novonesis eller et CDMO. Meget udbredt vej ind
• Fra proteinkemi-laboratoriet: erfaring med oprensning i lille skala, der skaleres op
• Fra analyseafdelingen: HPLC-erfaring gør, at man forstår, hvad tallene på renhed faktisk betyder
• Fra produktionen: procesoperatør fra et renseanlæg, der læser videre
• Fra forskning: postdoc i strukturbiologi eller biokemi, hvor man har renset proteiner i årevis

GMP-træning er et krav i praksis og gives internt. Kurser i statistisk forsøgsplanlægning (DoE) og i procesvalidering vejer tungt. Kendskab til ICH Q5A om virussikkerhed forventes i roller med pattedyrceller.

Engelsk på højt niveau er nødvendigt. Rapporter, systemer og møder er på engelsk.

Regn med et til tre år, før man selvstændigt designer en hel rensekæde. Herefter går karrieren til senior scientist, principal scientist eller projektleder for teknologioverførsel. Andre spor er MSAT, procesvalidering, formulering, produktionsledelse eller kvalitetssikring. Nogle skifter til leverandører som Cytiva, Sartorius, Merck Millipore eller Repligen som applikationsspecialister. Skift til upstream sker, men er mindre almindeligt, fordi de to halvdele bygger på forskellig erfaring.

Faget er praktisk. Anlæg, søjler, filtre og analyser fylder ugen.

• Kromatografianlæg: ÄKTA fra Cytiva er standarden — ÄKTA pure og avant i laboratoriet, ÄKTA process i pilotskala. Styres i UNICORN-softwaren
• Højkapacitets-screening: PreDictor-plader og RoboColumns kørt på robot, så mange harpikser testes parallelt
• Harpikser (resins): MabSelect og Capto fra Cytiva, Toyopearl fra Tosoh, POROS fra Thermo Fisher. Protein A, ionbytning, hydrofob interaktion, multimodal og størrelsesudelukkelse
• Filtrering: dybdefiltre og virusfiltre fra Pall, Merck Millipore, Sartorius og Asahi Planova. TFF-systemer fra Repligen og Sartorius til koncentrering og bufferskift
• Centrifugering: skiveseparatorer i pilot- og produktionsskala til høst
• Analyse: HPLC og UPLC til renhed og aggregater (SEC), SDS-PAGE, ELISA til værtscelleproteiner, qPCR til rest-DNA, massespektrometri og kapillærelektroforese
• Bufferberegning: pH, ledningsevne og osmolalitet måles på hver eneste buffer, før den bruges
• Dataanalyse og forsøgsplanlægning: JMP, Minitab eller Design-Expert til DoE. Python eller MATLAB til mekanistiske søjlemodeller
• Procesmodellering: massebalancer og udbytteberegning i Excel eller SuperPro Designer, plus modellering af søjlekapacitet
• Dokumentation: elektronisk laboratoriejournal som Benchling, LIMS til prøvedata, og dokumentstyring i Veeva Vault QualityDocs eller TrackWise ved afvigelser

Kromatogrammet er fagets vigtigste værktøj. Man aflæser, hvornår produktet kommer ud, hvor bredt toppen er, og hvad der ligger som skulder på siden. Det meste fejlsøgning starter der.