Prävention von mikrobieller Kontamination in pharmazeutischen und biotechnologischen Fertigungsbereichen: ein ganzheitlicher Ansatz zur Einführung robuster Kontrollmaßnahmen.

Bild 1: Wand mit Wasserschäden und Schimmelbefall (Foto: Jim Polarine) / Image 1: Water damaged wall covered with mold. (photo by Jim Polarine)

Bild 2: Biofilmbildung in Rohren (Foto: MSU) / Image 2: Biofilm formation in pipes. (photo courtesy MSU)

Bild 3 (Desinfektionsmittelrückstände auf Epoxidharzboden) / Image 3 (disinfectant residue on epoxy flooring)

Bild 4 (Desinfektionsmittelrückstände auf Vinylboden) / Image 4 (disinfectant residue on vinyl flooring)

Ein kürzlich erschienener Bestseller1 befasst sich mit der Frage, warum eine ganze Nation bereit ist, einigen wenigen Menschen in lebensbedrohlichen Situationen (z. B. den chilenischen Bergleuten) zu helfen, aber nur wenig Hilfsbereitschaft für Millionen zeigt, die sich in ähnlicher oder sogar größerer Not befinden (z. B. Tsunamiopfer). Dies mag irrational sein, beschreibt aber zutreffend die Schwierigkeiten der Menschen, auf ein abstraktes Ziel hinzuarbeiten, das auf Konzepten und Verhältnissen beruht, die fast unmöglich zu erfassen sind. Die Rettung einer einzigen Person, die sich direkt vor einem befindet, ist viel einfacher umzusetzen, als Millionen zu retten, die in einem fernen Land leiden. In solchen Situationen neigen wir dazu, uns abzuwenden, weil wir nicht wissen, wie wir etwas ändern sollen, das wir nicht verstehen oder sehen können. Dieses Phänomen spielt auch eine Rolle bei der Kontrolle von Arzneimittelfertigungsbereichen: Wir bitten Menschen, die in diesen Bereichen arbeiten, extrem vorsichtig zu sein und strenge Verfahrensvorschriften zu befolgen, die konzipiert worden sind um zu verhindern, dass ein Medikament durch unsichtbare, millionenfach vorhandene Organismen verunreinigt wird. Um es einfach auszudrücken: Menschen, die in heiklen Herstellungsbereichen arbeiten, neigen dazu, den Einfluss zu unterschätzen, den sie als Einzelne auf die Steuerung eines großen und komplexen Systems haben. Oder auf noch abstraktere Konzepte wie die öffentliche Gesundheit, die durch schlechte Produktionskontrollen gefährdet werden kann, wie die kürzliche Knappheit von Grippeimpfstoffen2 und Produktrückrufe3 gezeigt haben.

Die wirksame Kontrolle der Arzneimittelproduktionsbereiche erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, bei dem diejenigen Komponenten ermittelt und überwacht werden, die für das erfolgreiche Produktionsergebnis am wichtigsten sind. Ein ganzheitliches Konzept berücksichtigt das Verhalten komplexer Systeme und basiert auf einem interdisziplinären Ansatz, der stark auf Messwerte fokussiert ist, um das Verhalten des Systems zu verstehen. Die kritischen Komponenten, die untersucht und überwacht werden müssen, um das Produktionsergebnis zu gewährleisten, sind die Produktionsanlage (Konstruktion und Zustand), das Personal (Schulung und Verwaltung) und mikrobielle Kontrollprogramme (Produkte und Anwendung). In diesem Artikel werden alle drei Bereiche behandelt.

Angriff ist die beste Verteidigung, besonders wenn große Summen und die öffentliche Gesundheit auf dem Spiel stehen, was nicht übertrieben ist, wenn es um Impfstoffe und andere biotechnologisch gewonnene Wirkstoffe geht. In diesem Fall ist die Endsterilisation meist keine Option. Daher beginnt ein starker, offensiver Ansatz mit einer robusten Anlagenplanung, bei der Wirkstoff und Verpackungskomponenten von Kontaminationsquellen isoliert sind. Dazu gehören unter anderem angemessene Barrieren (z. B. Schleusentüren, klare Bereichsabgrenzung), HLK (HVAC)-Kapazitäten (z. B. zur Bewältigung saisonaler Schwankungen von Temperatur und Feuchtigkeit), Wasserüberprüfung (z. B. Platzierung von Abflüssen und Abfüllstellen/Probe-Entnahme-Stellen von Wasser für Injektionszwecke, WFI), gut zu reinigendes Design (z. B. glatte Wölbungen, wenig Hindernisse) und die Auswahl von chemikalien- und feuchtigkeitsresistenten Baumaterialien (z. B. 316L/1.4404-Edelstahl, Epoxidharz- oder Polymer-Böden). Wenn unbegrenzt Zeit, Mittel und Know-how vorhanden sind, ist es leicht, ein Arzneimittelwerk zu entwerfen, das für die Prävention von Produktverunreinigungen optimiert ist. Meist sind die Rahmenbedingungen jedoch weniger optimal, und so tragen Anordnung und Zustand der Anlage oft zu mikrobiologischen Abweichungen und in einigen Fällen zur Produktkontamination bei.

Sogar Edelstahl kann unter der (übermäßigen) Exposition mit Chemikalien Schäden erleiden und zu rosten beginnen. Insbesondere Rost und Lochfraß bedeuten eine erhebliche Beschädigung der Oberfläche und stellen in zweierlei Hinsicht eine Herausforderung für eine wirksame mikrobiologische Kontrolle dar: Einerseits beherbergen sie Mikroorganismen, andererseits verhindern sie, dass Reinigungs- und Dekontaminationsmittel die Mikroben und Rückstände erreichen und eine ausreichende Einwirkzeit erzielt wird. Edelstahl ist nicht die einzige Oberfläche die angegriffen werden kann: Auch Epoxidharz- und Polymerböden können durch starkes Begehen oder das Rücken schwerer Gegenstände beschädigt werden und sind dann nicht mehr unempfindlich gegen die Auswirkungen einer starken Chemikalienexposition. Beide Szenarien können zur Ansammlung von Wasser und den damit verbundenen mikrobiologischen Problemen wie Schimmel und Bazillenvermehrung führen. Erhebliche Wasserschäden an der Struktur, zum Beispiel aufgrund von undichten Dächern oder Entwässerungsproblemen, können endemische Schimmelprobleme (siehe Bild 1) und Bazillenbefall verursachen. Entwässerungsprobleme können zur Bildung eines Biofilms (siehe Bild 2) führen, der erheblichen und wiederkehrenden Befall mit Bazillen und anderen Bakterien verursachen kann, da er eine erhöhte Resistenz gegen antimikrobielle Substanzen besitzt4. Ein weiterer Gesichtspunkt beim Entwurf ist die Einplanung ausreichender Barrieren, um den Medikamentenherstellungsprozess abzuschotten. Ältere Anlagen oder solche, die nicht ursprünglich für diesen Einsatz ausgelegt waren, haben unter Umständen kein optimales Barrieredesign. Zum Beispiel, das Lager oder der Bereitstellungsraum für die Komponenten sind eventuell nicht ideal gelegen, um das Entweichen unerwünschter Partikel zu verhindern. In einigen Fällen lässt sich aufgrund der strukturellen Einschränkungen kein Einbahnverkehr bewerkstelligen. Beide Situationen erschweren die Kontaminationskontrolle und damit auch die Kontrolle des Arzneimittelherstellungsprozesses.

Der gebräuchlichste Ansatz zur Eindämmung von mikrobiologischen Problemen aufgrund von Planungsfehlern oder Schäden an der Anlage besteht darin, den Einsatz antimikrobieller Produkte in Konzentration, Anwendungshäufigkeit oder beidem zu erhöhen. In einigen Fällen können kurzfristig auch extrem aggressive Chemikalien wie angesäuerte Bleiche zum Einsatz kommen. Diese Maßnahmen führen zu einer sofortigen Verbesserung der Überwachungsdaten, können aber langfristig zu weiteren Schäden führen und die Kontrolle des Anlagenumfelds erschweren. Die beste Lösung für eine effiziente Kontrolle ist die Instandsetzung oder Nachrüstung der Anlage, was natürlich mit hohen Kosten verbunden ist. Es ist aber immer noch günstiger als die Alternativen, die Ermittlung der Ursachen von mikrobiologischen Abweichungen oder Produktkontaminationen sowie Produktzurückweisungen.

Die größte Gefahr bei der Medikamentenherstellung geht von den Mitarbeitern in aseptischen Herstellungsbereichen aus. Das bedeutet nicht, dass die Mitarbeiter nicht engagiert sind, denn die meisten Menschen möchten ihre Arbeit gut machen, sondern liegt vielmehr in der menschlichen Natur begründet. Menschen sind unglaubliche Bioreaktoren: Schätzungen zufolge5 sind 90 % der Zellen im menschlichen Körper mikrobiologischer Natur. Auch mit kompakten Schulungsprogrammen gelingt es oft nicht, dass sich die Mitarbeiter in Reinräumen immer an gute aseptische Praktiken halten. Die häufigsten Verhaltensfehler haben mehr mit Gedankenlosigkeit zu tun als mit absichtlicher Missachtung der aseptischen Vorschriften. So kann es leicht passieren, dass jemand an einer Wunde kratzt, sich über die verschwitzte Stirn wischt oder niest. Absichtliche Abweichungen von der Standardvorgehensweise können manchmal vorkommen, weil man das Risiko inakzeptabler Umgebungsmessdaten senken möchte. So lässt sich zum Beispiel durch das Besprühen der behandschuhten Hände mit sterilem Isopropylalkohol oder Tyvek-Anzüge unmittelbar vor dem Beschichten das Risiko schlechter Ergebnisse vermeiden, was aber niemals in Kauf genommen wird. Manchmal lässt sich die absichtliche Nichtbeachtung von Standardverfahrensweisen und aseptischen Praktiken aber schwieriger einordnen. Bei einer Schulung vor einigen Jahren sagte eine Mitarbeiterin, sie mische der für den Reinraum genehmigten Reinigungslösung ein nicht zugelassenes Haushalts-Geschirrspülmittel zu, weil das zugelassene Produkt nicht genug Schaum produziere, was ihrer Ansicht nach für eine gründliche Reinigung unerlässlich sei (ein Irrglaube, der sich durch die Schulung leicht aufklären ließ). In diesem Beispiel waren die Absichten gut, das Verhalten aber dennoch nicht im Einklang mit den Vorschriften für gute Herstellungspraxis (cGMP). Dies brachte ihre Vorgesetzten in eine schwierige rechtliche Lage und hätte im schlimmsten Fall die Wirkung des Desinfektionsmittels beeinträchtigen und damit das Medikament gefährden können.

Es gibt hunderte Möglichkeiten, wie eine aseptische Umgebung durch die wohlmeinenden Bemühungen nicht ausreichend geschulter und überwachter Mitarbeiter beeinträchtigt werden kann. Der beste Weg, die Betriebsrisiken durch das in diesen Bereichen arbeitende Personal zu senken, besteht in einer robusten cGMP-Plattform im Schulungsprogramm. Diese Plattform sollte die Historie der Medikamentenherstellung aufzeigen und Beispiele aus dem echten Leben verwenden, um zu zeigen, welche Schäden verunreinigte Medikamente der Gesundheit zufügen können. Jeder kennt irgendjemanden, der zumindest zeitweise Pharmazeutika (z. B. Impfstoffe, Chemotherapeutika) anwendet. Wenn man sieht, was eine schlechte Produktionskontrolle einem Freund, einem geliebten Menschen oder einem selbst antun kann, macht die Botschaft persönlicher und den Ansporn zu durchdachtem Verhalten größer. Eine grundlegende Schulung in Mikrobiologie, antimikrobieller Chemie und Reinigungstechniken sorgt für besseres Einhalten der Vorschriften, indem Verständnis dafür erzeugt wird, warum bestimmte Produkte und Bedingungen verwendet werden. Anders ausgedrückt wird durch Aufklärung ein großes, komplexes System, bei dem Millionen unsichtbarer Objekte kontrolliert werden müssen, auf eine Ebene heruntergebrochen, die der Reinraummitarbeiter verstehen und verinnerlichen kann. Diese Mitarbeiterschulungen müssen, wenn Sie einmal eingeführt sind durch regelmäßige Managementkontrollen verstärkt werden. Leider verbringt die Betriebsleitung immer weniger Zeit in den Produktionsstätten und hat daher immer weniger Gelegenheit, das Verhalten zu beobachten, gutes Verhalten zu fördern und fehlerhaftes Verhalten zu korrigieren. Und da die Betriebsleitung immer mehr Aufgaben außerhalb ihrer grundlegenden Funktion – Mitarbeiterschulung und Verwaltung – übernimmt, können Aufsichtsprobleme entstehen. „Insbesondere gibt es keine Aufsicht, die sicherstellt, dass die Schichtleiter überprüfen, ob jeder Mitarbeiter die Schulungsanforderungen vollständig erfüllt hat. Es wurden zwei Aushilfen eingestellt, die aber nicht die vorgeschriebene Schulung erhielten – Einweisung in die Standardvorgehensweise und Einführung in die gute Herstellungspraxis (GMP) –, so wie es die Schulungsverfahren des Unternehmens vorschreiben.“ (GMP Trends, Inc., 01.12.2010)

Reinigung ist eine cGMP-Anforderung. Die Umgebung muss kontrolliert werden, um eine partikuläre oder mikrobielle Verunreinigung des Medikaments, der Verpackungskomponenten und der Oberflächen mit Produktkontakt zu verhindern. Die Art, in der die Reinigungs- und mikrobielle Kontrolle (z. B. Produkte, Anwendungsmethoden und -häufigkeit) stattfindet, ist von Werk zu Werk unterschiedlich, was zum Teil auf die unterschiedlichen Anlagen und Produktionserfordernisse zurückzuführen ist. Es gibt jedoch Leitfäden6,7 und beste Praktiken, die in die Strategie für Reinigung und mikrobiologische Kontrolle integriert werden sollten. Es gibt auch Praktiken, die nicht flächendeckend angewendet oder manchmal nicht richtig verstanden werden. Eine davon ist die Desinfektionsmittel/Sporizid Rotation. Sogar der Begriff hat sich im letzten Jahrzehnt geändert. Früher bedeutete Rotation den abwechselnden Einsatz von zwei Breitband-Desinfektionsmitteln mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung (z. B. zwei Phenole oder zwei quartäre Ammoniumverbindungen). Durch die Rotation zweier unterschiedlicher Formulierungen mit ähnlichen Wirkstoffen und unterschiedlichen chemischen oder physischen Eigenschaften (z. B. pH-Wert, Alkalität) kann ein breiteres Spektrum an Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Viren) bekämpft werden. Gleichzeitig wird die Entwicklung problematischer Reste aus der Interaktion zweier unterschiedlicher und potenziell inkompatibler chemischer Gattungen (z. B. Phenole und quartäre Ammoniumverbindungen) minimiert. Derzeit ist die vorstehend beschriebene Art der Rotation noch vorherrschend, wie 483 Beobachtungen in jüngster Vergangenheit ergeben haben: „Das Unternehmen befolgte die schriftlichen Anweisungen für die Reinigung und Desinfektion von Class 10,000 (ISO 7)-Reinräumen insofern nicht, als das Produktionspersonal keine wechselnden Reinigungs- und Desinfektionsmittel für Becken und Oberflächen verwendete, wie es die Standardverfahrensweise vorsieht.“ (GMP Trends, 15.08.2007) Da es immer wichtiger wird, auch resistente Organismen wie Pilzsporen und bakterielle Endosporen zu bekämpfen, werden die Rotationsprogramme oft um ein Sporizid ergänzt. Das Abwechseln von Routine-Desinfektionsmitteln oder eines Routine-Desinfektionsmittels mit einem Sporizid entwickelt sich schnell zum bevorzugten Modell und ist in verschiedenen aufsichtsbehördlichen Dokumenten und Empfehlungen verankert, darunter die Normen 1072 (Disinfectants and Antiseptics) und 32-NF27 der US Pharmacopeial Convention (USP): „Es ist ratsam, den täglichen Einsatz von bakteriellen Desinfektionsmitteln um die wöchentliche (oder monatliche) Anwendung eines Sporizids zu ergänzen. Die tägliche Anwendung von Sporiziden wird im allgemeinen nicht befürwortet, da diese die Ausstattung angreifen können sowie potenzielle Sicherheitsprobleme bei langwieriger Exposition des Bedienpersonals. Andere Desinfektions-Rotationsschemata können auf der Basis einer Überprüfung der historischen Umgebungsmessdaten befürwortet werden.“

Die Wahl der Desinfektionsmittel und Sporizide sollte auf der wissenschaftlichen bewiesenen Wirksamkeit gegen das gewünschte Spektrum an Organismen sowie auf anderen wichtigen Überlegungen wie der Kompatibilität der Substrate und der Sicherheit des Bedienpersonals beruhen. Es gibt unzählige verfügbare Referenzen8, die Informationen zu den Wirkmechanismen der unterschiedlichen Chemikalien gegen die Strukturen der verschiedenen Mikroorganismen bieten. Diese Unterlagen können bei der Auswahl der Desinfektionsmittel und Sporizide helfen. Jedoch befreien die wissenschaftlich basierten Referenzen und die herkömmliche Meinung bei der Auswahl der Produkte die Hersteller nicht von der Verpflichtung, ihre Desinfektionsmittel und Sporizide – und sogar Isopropylalkohol – für den Einsatz in ihren Werken zu validieren, und zwar gegen Umgebungsisolate und unter tatsächlichen Einsatzbedingungen. „Desinfektionsmittel zur Reinigung von Oberflächen in aseptischen Verarbeitungsbereichen wurden nicht ausreichend geprüft, um sicherzustellen, dass sie die gewünschte mikrobielle Dekontamination bei Verwendung gemäß den Standardvorgehensweisen (SOP) erreichen: a) Bei der Qualifizierungsstudie wurden nur Oberflächen aus Edelstahl und keine anderen Oberflächen im aseptischen Verarbeitungsbereich wie Glas, Kunststoff und epoxylackierte Oberflächen beurteilt; b) Bei der Qualifizierungsstudie wurden längere Einwirkzeiten verwendet als nach SOP vorgeschrieben; c) In der Qualifizierungsstudie ließ man das Desinfektionsmittel ... Minuten in die Testoberfläche einwirken, anstatt die Fläche nur, wie in den SOP vorgeschrieben, abzuwischen.“ (GMP Trends, 01.05.2003)

Über die mikrobielle Wirksamkeit hinaus ist die Rolle, die Rückstände von Desinfektions- und Reinigungsmitteln bei der Umgebungskontrolle spielen, zu einem drängenden Problem geworden. Die meisten Desinfektions- und Reinigungsmittel enthalten nichtflüchtige Inhaltsstoffe, die auf der Oberfläche verbleiben, nachdem der flüchtige Anteil verdampft ist. In vielen Fällen handelt es sich dabei um inerte Substanzen, die aber zu einer optischen und funktionalen Beeinträchtigung der Oberfläche führen können (siehe Bild 3). Daher sollten die Auswirkungen dieser Rückstände im Hinblick auf die weiteren Reinigungs- und Umgebungsüberwachungsaktivitäten beurteilt werden. „Es wurde keine Beurteilung durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Rückstände der Reinigungslösung die Umgebungstest und Probeentnahme nicht negativ beeinflussen.“ (Warning Letter, 02.07.2008) Es ist daher ratsam, einen Nachwisch/Spül-Schritt in die Kontrollverfahren für Reinräume zu integrieren. Dabei sollten das zu verwendende Mittel, die Häufigkeit des Nachwischens/Spülens und spezielle Anwendungsverfahren festgelegt werden. Wenn zum Abwischen/Abspülen etwas anderes als destilliertes Wasser oder Isopropylalkohol (die beide keine Rückstände hinterlassen) verwendet werden soll, muss die Art der Rückstände, die durch dieses Mittel eingebracht werden, berücksichtigt werden. Die Häufigkeit der Anwendung ist auf der Grundlage einer Risiko-Nutzen-Abwägung festzulegen. Wenn zu häufig mit Wasser oder einem anderen Mittel nachgewischt/nachgespült wird, insbesondere nach der Desinfektion, kann dies die mikrobielle Kontrolle unter Umständen noch erschweren: Zum einen kann durch Verdünnung des Desinfektionsmittels, bevor die erforderliche Einwirkzeit erreicht ist, die optimale Leistung eingeschränkt werden, zum anderen fördert zu viel Wasser das Wachstum von Keimen.

Arzneimittelhersteller sehen sich mit vielerlei Herausforderungen konfrontiert. Sie müssen sicherstellen, dass die Umgebungsmessdaten eine ausreichende Kontrolle bieten, um eine Veränderung des Produkts zu verhindern, und das in einer Umgebung, wo die Raumplanung der Anlage, das Personal und die angewandten Kontaminationskontrollpraktiken noch zu den Kontrollproblemen beitragen können. Ein ganzheitlicher Ansatz, der alle für das Funktionieren des gesamten komplexen Systems erforderlichen Teile berücksichtigt, ist der beste Weg, um die Kontrolle zu erlangen, die Arzneimittelhersteller fordern und die Verbraucher verdienen.

Literaturangaben:
1. Ariely, Dan 2010. The Upside of Irrationality, HarperCollins Publishers p237-256.
2. Roumeliotis, Gregory, 05 Jul 2006, FDA report sheds light on Chiron's problems. Outsourcing-Pharma.com
3. George, John, 17 January 2011, Another Johnson and Johnson Recall. Philadelphia Business Journal.
4. Donlan, Rodney M. Biofilms and Device-Associated Infections. Emerging Infectious Diseases Vol.7, No. 2, March-April 2001
5. Glausiusz, Josie, Your body is a Planet. Discover Magazine June 2007
6. United States Pharmacopeia, USP Disinfectants and Antiseptics, USP 32-NF27
7. EC Guidelines to Good Manufacturing Practice, Medicinal Products for Human and Veterinary Use, Annex 1, Manufacture of Sterile Medicinal Products, 25 November 2008 (rev.)
8. Block, Seymour S. 2001. Disinfection, Sterilization, and Preservation. 5th ed. Philadelphia, PA: Lippincott Williams & Wilkins p. 31-79.