Die Herstellung von Peptiden ist heute ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Pharmaforschung und -produktion. Peptide sind organische Verbindungen, bestehend aus Aminosäuren, welche über Peptidbindungen verknüpft sind. Sie gehören zu den wichtigen Klassen aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe (Active Pharmaceutical Ingredients, API) und bilden die Grundlage zahlreicher Medikamente. Sie kommen unter anderem in Krebs-, Diabetes- oder Autoimmuntherapien zum Einsatz. Gleichzeitig ist ihre Herstellung jedoch komplex, zeitaufwendig und mit einem hohen Verbrauch an Lösungsmitteln verbunden. Die Festphasen-Peptidsynthese (SPPS) ist eine häufig verwendete Methode zur Herstellung von Peptiden.

Ablauf einer Festphasen-Peptidsynthese

Die Festphasen-Peptidsynthese wurde 1963 von Bruce Merrifield entwickelt und hat die Peptidchemie revolutioniert. Ihr Prinzip beruht darauf, dass die wachsende Peptidkette an ein unlösliches Harz gebunden ist, das in einem Lösungsmittel suspendiert wird.

Der Syntheseablauf besteht aus wiederkehrenden Zyklen von:

1. 1. 1. Kupplung: Eine geschützte Aminosäure wird zusammen mit Kupplungsreagenzien an das freie Bindungsende der Peptidkette angefügt.
      2. Waschen: Nicht umgesetzte Aminosäuren und überschüssige Reagenzien werden durch Spülen entfernt.
      3. Entfernung der Schutzgruppe: Die Schutzgruppe der neu angefügten Aminosäure wird entfernt, um das nächste Bindungsende freizulegen.
      4. Erneutes Waschen: Rückstände der Schutzgruppen und Nebenprodukte werden entfernt.
    

Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Sequenz vollständig aufgebaut ist. Zum Abschluss wird die gesamte Peptidkette vom Harz abgespalten und gereinigt.



Abbildung 1: Beispielhafter Ablauf einer SPPS (Quelle: https://www.researchgate.net/figure/General-scheme-of-solid-phase-peptide-synthesis-SPPS-steps_fig4_366806988)

Herausforderungen in der Peptidsynthese

Ein entscheidender Faktor für die Qualität und Wirtschaftlichkeit der Festphasen-Peptidsynthese ist daher die kontinuierliche Prozessüberwachung. Bisherige Methoden wie die HPLC-Analyse, Ninhydrin- oder Chloranil-Tests sowie die UV-Absorption können zwar wertvolle Informationen liefern, haben jedoch gravierende Nachteile: Sie sind zeitintensiv, destruktiv, erfordern Probenentnahmen und führen häufig zu Unterbrechungen des gesamten Produktionsprozesses Die SPPS gleicht einer Blackbox, da während des laufenden Prozesses keine Zwischenprodukte isoliert werden können und das Endergebnis bis zum Abschluss der Synthese ungewiss bleibt. Hier setzt die inline- oder online-Messung mit einem Refraktometer an. Der Brechungsindex (RI) einer Lösung hängt direkt von ihrer Zusammensetzung ab. Jede Reaktion – ob das Anbinden einer Aminosäure an das Harz, das Entfernen einer Schutzgruppe oder ein Waschschritt – verändert die Konzentration der gelösten Stoffe im System und damit den Brechungsindex. Diese Veränderungen lassen sich mit modernen Refraktometern präzise in Echtzeit messen. Dadurch wird die Festphasen-Peptidsynthese transparent und kontrollierbar.



Abbildung 2: schematischer Aufbau einer SPPS mit Refraktometern (Quelle: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.oprd.1c00051

Ein Refraktometer bietet den großen Vorteil, dass es sich um eine zerstörungsfreie und kontinuierliche Messmethode handelt, die ohne Probenentnahme auskommt. Die Daten stehen sofort zur Verfügung und liefern wertvolle Informationen über den Fortschritt jedes einzelnen Syntheseschritts. So kann beispielsweise die Beladung des Harzes live verfolgt werden. Ebenso lassen sich Capping-Schritte oder die Entfernung von Schutzgruppen durch charakteristische Signalverläufe erkennen. Auch die Waschzyklen mit Lösungsmitteln wie DMF zeigen sich deutlich in den Messungen und können so hinsichtlich Effizienz und Dauer optimiert werden.



Abbildung 3: RI-Verlauf während des Kupplungsprozesses (A) und der Entfernung der Schutzgruppe (B) (Quelle: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.oprd.1c00051)

Damit wird nicht nur die Prozesssicherheit erhöht, sondern auch die Effizienz: Produktionszeiten verkürzen sich von teilweise mehrere Stunden auf ein paar Minuten, Reagenzien können sparsamer eingesetzt werden und Lösungsmittelverbräuche sinken. Auf diese Weise trägt ein Refraktometer wesentlich zu einer nachhaltigeren und wirtschaftlicheren Peptidproduktion bei – ganz im Sinne moderner „Green Chemistry“-Ansätze. Darüber hinaus ermöglicht die Echtzeit-Überwachung eine weitgehende Automatisierung der SPPS und schafft die Grundlage für eine zuverlässige Skalierung von Laborversuchen bis hin zur industriellen Fertigung.

Um diese Vorteile optimal nutzbar zu machen, bietet SCHMIDT + HAENSCH Lösungen für verschiedene Anwendungsbereiche: Für kleinere Laboranlagen eignet sich beispielsweise das VariRef Labor-Refraktometer. In Kombination mit der Durchflussprobenraumtür und einer Membranpumpe können Volumina von wenigen Millilitern bis zu mehreren Litern problemlos überwacht werden. Für den industriellen Maßstab kann zum Beispiel das iPR B4 Inline-Prozess-Refraktometer eingesetzt werden. Dieses inline-Refraktometer kann sowohl in einem Bypass-System als auch direkt inline in Reaktoren oder Rohrleitungen installiert werden. Es ist für den Dauerbetrieb ausgelegt und erlaubt eine durchgängige Prozesskontrolle auch unter anspruchsvollen Produktionsbedingungen.

Ihre Vorteile auf einen Blick

• • Erhebliche Zeiteinsparungen bei allen Schritten
  • Echtzeit-Daten statt zeitverzögerter Offline-Analysen
  • Kontinuierliche, zerstörungsfreie Messung ohne Probenentnahme
  • Präzise Endpunkterkennung bei Kupplung und Entfernung der Schutzgruppe
  • Optimierte Waschschritte und reduzierter Lösungsmittelverbrauch
  • Höhere Prozesssicherheit, Reproduzierbarkeit und Automatisierung
  • Kosteneinsparungen durch geringeren Reagenzienverbrauch
  • Nachhaltigere Synthese durch weniger Abfall und niedrigeren Energiebedarf

Die Refraktometer von SCHMIDT + HAENSCH bieten damit ein ganzheitliches Werkzeug zur Prozesskontrolle in der Peptidsynthese. Sie verbinden höchste Präzision mit Benutzerfreundlichkeit und ermöglichen eine deutliche Qualitätssteigerung bei gleichzeitiger Kosten- und Zeiteinsparung. Mit diesen Technologien wird die Peptidsynthese nicht nur effizienter, sondern auch nachhaltiger – von der Grundlagenforschung bis zur großtechnischen Produktion.