Um ihre Prozesse zu optimieren und Plagiate zu erkennen, stehen Pharma- und Biotech-Unternehmen häufig vor der Herausforderung, pulverförmige oder lyophilisierte – also gefriergetrocknete – Stoffe zu überprüfen und dabei die exakte Zusammensetzung zu analysieren. Diese Aufgabe ist schwieriger, als es auf den ersten Blick scheint. „Dies gilt insbesondere dann, wenn sich das Material während des Produktionsprozesses in Glasfläschchen befindet und dort als Pulver oder als kuchenartiges Lyophilisat vorliegt“, erklärt Fabien Chauchard, der zusammen mit Dr. Sylvie Roussel im Jahr 2009 das französische Unternehmen Indatech gegründet hat. Als besondere Schwierigkeiten nennt der Pharma-Experte die Tatsache, dass das zu untersuchende Material meist keine flache Oberfläche aufweist und die Stoffe in unterschiedlichen Dichten vorliegen können. Soll die Analyse dann auch noch durch eine Phiole hindurch erfolgen, war guter Rat bisher teuer.
Bedienung so einfach wie bei einem Fotokopierer
Mit einem möglichst einfach zu handhabenden System auf Basis einer Hyperspektralkamera wollten Chauchard und sein Team eine Lösung für dieses Problem entwickeln. „Unser Ziel war es, die Analyse von pulverförmigen Stoffen so leicht wie die Bedienung eines Fotokopierers zu machen: Es sollte ausreichen, eine Probe auf eine Mikrotiterplatte zu legen und auf eine Schaltfläche zu klicken, um das Ergebnis zu erhalten.“
Eine wesentliche Herausforderung bestand laut Chauchard darin, durch die Glasfläschchen hindurch zu analysieren, die die Stoffe enthalten. „Wir haben uns entschlossen, die pulverförmigen Stoffe von unten zu messen, da dieser Blickwinkel den besten Überblick auf eine flache Oberfläche und ein möglichst großes Volumen bietet. Eine Prüfung der üblicherweise in der Pharma- und Biotech-Branche verwendeten Phiolen von der Seite wäre aufgrund von Aufklebern, die dort häufig zum Beispiel zur Identifikation der Proben angebracht werden, schwierig gewesen, und auch die Oberseite kam aufgrund der verwendeten Verschlusskappen aus Kunststoff oder Metall nicht in Frage.“
Hyperspektralkamera als Herzstück
Als grundlegende Technologie für die eigentliche Analyse der Materialien hatte sich Indatech früh auf die Verwendung von Hyperspektralkameras festgelegt. Diese Kameras arbeiten im nahen Infrarot-Bereich (NIR) und ermöglichen in Kombination mit einem Spektrografen die Identifikation der spektralen Kennlinien der zu untersuchenden Stoffe, indem sie ihre Reaktionen auf elektromagnetische Wellen verschiedener Wellenlänge erfassen. Je nach ihrer chemischen und molekularen Zusammensetzung zeigen Stoffe unterschiedliche Reaktionen, wie sie Licht absorbieren, reflektieren oder passieren lassen. Mit Hilfe geeigneter Klassifikations-Algorithmen kann so nach der Bildaufnahme exakt ausgewertet werden, welche Stoffe vorliegen.
Bei der Auswahl der geeigneten Hyperspektralkamera verließ sich Chauchard auf den finnischen Hersteller Specim. „Die Kamera ist in einem solchen System das Herzstück. Ihre Qualität ist ausschlaggebend für die Genauigkeit der Ergebnisse, die man bei der Analyse erzielen kann, daher haben wir uns auch bei der Realisierung dieses Systems an Specim gewandt. Da unser Analysegerät möglichst klein sein sollte, suchten wir nach einer kompakten und gleichzeitig leistungsfähigen Kamera und identifizierten nach einer kompetenten Beratung durch Experten bei Specim die FX17 schnell als einen guten Kandidaten für unsere Anwendung.“
Kamera liefert unter erschwerten Bedingungen zuverlässige Informationen
Schon die ersten Tests zeigten, dass Indatech die richtige Wahl getroffen hatte, erinnert sich Chauchard: „Die Versuche waren von Anfang an sehr ermutigend und zeigten, dass die FX17 in Kombination mit dem zugehörigen Objektiv eine gute Bildqualität lieferte. Wir führten zudem mehrere Tests durch, um die Robustheit zu bewerten, in dem wir zum Beispiel die Temperatur im Gehäuse veränderten. Auch unter erschwerten Bedingungen lieferte die FX17 jedoch stets zuverlässige Informationen.“ Als weiteren Pluspunkt nennt der Indatech-Gründer die GigE-Schnittstelle der Kamera, über die eine einfache Steuerung möglich war.
Zerstörungsfreie, automatisierte Tests
Mit der Auswahl der geeigneten Hyperspektralkamera war der wesentliche Schritt zur Entwicklung des Analysesystems getan. Hypereal heißt die Lösung, die Indatech Anfang 2020 erstmals vorstellte. Mithilfe des Systems kann eine Vielzahl lyophilisierter Produkte durch berührungslose Messungen unterhalb der Probe schnell, zerstörungsfrei und zuverlässig automatisiert getestet werden. Typische Aufgabenstellungen sind unter anderem die Bewertung des Restfeuchtigkeitsgehalts lyophilisierter Produkte, die Identifizierung der pharmazeutischen Wirkstoffe, die Erkennung physikalischer Defekte im Lyophilisat wie beispielsweise Risse oder Schmelze oder die Überprüfung der Homogenität lyophilisierter Produkte.
Als besondere Vorteile von Hypereal hebt Chauchard die exakte Inspektion und Konservierung von Proben hervor, die berührungslos und ohne toxische Reagenzien erfolgt. „Das System ist ein sehr robustes Instrument mit einer hervorragenden Wiederholbarkeit, das ohne große Anpassungen funktioniert. Es erlaubt die Verwendung kundenspezifischer Platten für die jeweiligen Proben mit integrierten Referenzen und verschiedenen Kolbengrößen und verfügt über eine einfach zu bedienende Schnittstelle zum Erfassen von Daten sowie zum Erstellen von Modellen und Generieren von Berichten.“
Die deutlich kürzeren Analysezeiten stellen laut Chauchard einen signifikanten Return on Investment sicher. Als Beleg nennt er ein Beispiel: „Für die Untersuchung des Restfeuchtigkeitsgehalts von lyophilisierten Produkten werden diese meist in die Vertiefungen einer 96-Well Mikrotiterplatte eingefüllt.“ In der Regel müsse die Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Pharmaunternehmens anschließend Karl-Fischer-Titrationen an jeder Vertiefung durchführen, was mehrere Wochen dauern kann. „Mit Hypereal liegen die Ergebnisse und der zugehörige Bericht aller 96 Wells in nur zwei Minuten vor.“ Neben der Restfeuchtigkeit jeder Vertiefung erhält der Anwender dank der aufgenommenen Bilder darüber hinaus auch noch weitere qualitätsbezogene Daten wie beispielsweise Informationen über vorhandene Risse oder das Schrumpfen des Lyophilisats. „Damit ist Hypereal das ideale Werkzeug für eine schnelle, wirtschaftliche Prüfung lyophilisierter Produkte“, so Chauchard.
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