EMA Guideline on the Quality of Water for Pharmaceutical Use

Diese Wasserqualität kann entweder durch Umkehrosmose oder durch Destillation erzeugt werden. Bedenken hinsichtlich der Endotoxin-Risiken bei der Umkehrosmose stehen im Mittelpunkt eines neuen Dokuments der Europäischen Arzneimittel-Agentur (EMA) zur Herstellung von Pharmawasser. Dieser Artikel befasst sich mit den Kernaussagen der Guideline und wichtigen Aspekten zur Kontaminationskontrolle.

Einleitung

Die EMA hat die finale Version der ' Guideline on the quality of water for pharmaceutical use'¹ in 2020 veröffentlicht. Das Dokument behandelt gereinigtes Wasser und WFI. Die wichtigste Wasserqualität ist WFI, da dieses als Inhaltsstoff von Arzneimitteln verwendet wird. Diese Wasserqualität wird auch für die Reinigung von produktberührenden Geräten und Komponenten verwendet, und es wird für die Wasserversorgung für Autoklaven in Form von Dampf genutzt. Gereinigtes Wasser wird für die Geräteaufbereitung verwendet; es wird an Wäschereien geliefert, zum Händewaschen verwendet und als Ausgangswasser für die Destillation genutzt.

Die drei Ziele der Wasseraufbereitung sind²:

1. den Gehalt der chemischen Komponenten im Wasser zu reduzieren, Wechselwirkungen mit dem Wirkstoff zu vermeiden und eine Schadwirkung für den Patienten zu verhindern. Diese ist möglich, wenn große Mengen entweder infundiert oder in Verbindung mit der Dialyse verwendet werden
2. die mikrobielle Keimbelastung auf die spezifizierten Werte zu reduzieren und eine weitere Vermehrung zu verhindern
3. Entfernung von Endotoxinen und Verhinderung ihrer zukünftigen Anreicherung

Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Punkten der neuen Guideline zu Wasser mit geeigneter Qualität für die pharmazeutische Herstellung. Die Risikoüberlegungen betreffen vor allem die mikrobielle Kontamination, einschließlich bakterieller Endotoxine.

Neue Guideline

Die Veröffentlichung der neuen Guideline im Juli 2020 folgt auf einen früheren Entwurf (mit demselben Titel), der 2018 veröffentlicht wurde. Der Entwurf stand bis Mitte Mai 2019 zur öffentlichen Kommentierung. Wie bei jedem neuen Leitfaden gibt es eine Übergangfrist, bis dieser tatsächlich anzuwenden ist, und das Dokument ist jetzt am 1. Februar 2021 in Kraft getreten. Der wichtigste Unterschied zwischen der finalen Version und dem vorherigen Entwurf ist die Hinzufügung einer Bewertung der Wasserqualität für die Zubereitung von pflanzlichen Extrakten (wobei bei der Wasserqualität auf den Standard “gereinigtes Wasser” verwiesen wird).

Wasser ist für die pharmazeutische Herstellung unverzichtbar: Es wird als Hilfsstoff eingesetzt; es wird für die Rekonstitution von Produkten, während der Synthese, bei der Herstellung des Endprodukts, als Reinigungsmittel zum Spülen von Gefäßen, Geräten und Primärverpackungsmaterialien sowie zur Verdünnung von Desinfektionsmitteln verwendet. Daher erfordert Wasser eine chemische und mikrobiologische Kontrolle, die seinem Verwendungszweck angemessen ist.

Der Zweck der Guideline ist es, die Anforderungen an die Wasserqualität für bestimmte pharmazeutische Produktionsprozesse (Human- und Tierarzneimittel sowie Arzneimittel für neuartige Therapien (ATMPs)) festzulegen, und zwar für drei verschiedene pharmazeutische Wasserqualitäten: WFI, gereinigtes Wasser und Wasser für die Herstellung von Extrakten. Die Qualität des Leitungswassers wird beschrieben, obwohl dieses nicht als Wasser von pharmazeutischer Qualität angesehen wird.

Wassersysteme können verunreinigt werden, wenn das Zulaufwasser eine hohe Keimbelastung aufweist und diese die Auslegungstoleranzen für den Wasserreinigungsprozess überschreitet. Der erforderliche Grad der Keimreduzierung variiert je nach Qualität des Ausgangswassers und je nach Jahreszeit. Die Variation ist ein Faktor der Komplexität der Keimzusammensetzung, der physikalischen Strukturen, der longitudinalen und zeitlichen Dynamik, der biogeographischen Verteilung und der chemischen Gradienten von der Quelle bis zum pharmazeutischen Betrieb.

Wassersysteme können auch verunreinigt werden, wenn der Wasserreinigungsprozess nicht gemäß den Auslegungsparametern betrieben wird, z. B. durch nicht ordnungsgemäßen Betrieb von Membranfiltrationssystemen oder Destillationseinheiten. Daher muss durch eine entsprechend kontrollierte Aufbereitung, Lagerung und Verteilung sichergestellt werden, dass die Grenzwerte an der Entnahmestelle eingehalten werden.

Einer der Hauptgründe für die Guideline ist die Veröffentlichung einer behördlichen Sichtweise auf die Herstellung von WFI mit anderen Methoden als der Destillation gemäß der vorangegangenen Revision im Europäischen Arzneibuch. Am 1. April 2017 wurde die Monographie des Europäischen Arzneibuchs "Wasser für Injektionszwecke" (0169) überarbeitet (in der Ergänzung 9.1), um alternative Methoden, wie z. B. durch Umkehrosmose, zu ermöglichen.

Umkehrosmoseanlagen verwenden eine semipermeable Membran und eine erhebliche Druckdifferenz, um das Wasser durch die Membran zu führen und so eine Verbesserung der chemischen Qualität sowie eine Reduktion der Keim- und Endotoxinbelastung zu erreichen. Die Systeme gibt es in verschiedenen Bauformen und werden oft in Serie eingesetzt. Alle Umkehrosmosefunktionen verwenden jedoch eine semipermeable Membran, die unter hohem Druck arbeitet. Sie blockiert 99,5 % der Endotoxine und Ionen/Salze, lässt aber Wassermoleküle durch.

Bei der traditionellen Methode der Destillation funktioniert dies, indem Wasser von einer Flüssigkeit in einen Dampf und dann vom Dampf wieder in eine Flüssigkeit verwandelt wird. Das Endotoxin wird durch das schnelle Sieden entfernt, wodurch die Wassermoleküle verdampfen und die relativ größeren Endotoxin-Komplexmoleküle zurückbleiben. Die meisten Modelle von Destillationsgeräten sind validiert, um durch die Destillation eine Reduzierung der Endotoxinkonzentration um 2,5-3 log zu erreichen.

Gemäß den europäischen Vorschriften wird WFI durch eine der folgenden Möglichkeiten hergestellt.

• Destillation unter Verwendung einer Apparatur, bei der die mit dem Wasser in Berührung kommenden Teile aus neutralem Glas, Quarz oder einem geeigneten Metall bestehen und die mit einer wirksamen Vorrichtung zur Verhinderung des Mitreißens von Tröpfchen versehen ist.
• Ein Reinigungsverfahren, das der Destillation gleichwertig ist. Geeignet ist die Umkehrosmose, die ein- oder zweistufig sein kann, gekoppelt mit anderen geeigneten Techniken wie Elektrodeionisation, Ultrafiltration oder Nanofiltration. Die für den Hersteller zuständige Behörde ist vor der Implementierung zu informieren.

Diese Änderung bedeutet, dass sich das Europäische Arzneibuch (und damit die europäische regulatorische Position) in Bezug auf die WFI-Erzeugung stärker an das US-amerikanische Arzneibuch und das japanische Arzneibuch angeglichen hat. Die Einbeziehung der Umkehrosmose als Wassererzeugungsmethode hat jedoch in einigen Kreisen aufgrund des Risikos in Bezug auf bakterielle Endotoxine Bedenken hervorgerufen, da sich auf der Filtermembran ein Biofilm bilden könnte (und Biofilme sind sehr schwer zu beseitigen, wenn einmal eine dauerhafte mikrobielle Anhaftung stattgefunden hat). Diese Risiken in Bezug auf Wasser, das mit alternativen Methoden hergestellt wird, werden in einem Dokument der GMP/GDP Inspectors Working Group dargelegt, in dem darauf hingewiesen wird, dass Umkehrosmoseanlagen typischerweise bei Umgebungstemperaturen betrieben werden und so eine ideale Umgebung für die Enstehung von Biofilmen bieten³.

Biofilme und Endotoxine

Die zentrale Sorge bei der Biofilmbildung auf der Filtermembran ist, dass bakterielles Endotoxin durch die Filtermembran gelangt. Mikrobielle Biofilme entstehen, wenn Mikroorganismen an einer Oberfläche haften, indem sie extrazelluläre Polymere produzieren, die die Adhäsion erleichtern und eine strukturelle Matrix bilden (oder, grob ausgedrückt, es entstehen schleimartige Strukturen). Die mikrobielle Adhärenz ist eine Folge des Gleichgewichts von anziehenden und abstoßenden physikochemischen Wechselwirkungen zwischen Bakterien und der Oberfläche. Während die Mehrheit der Bakterien innerhalb eines Biofilms gefangen ist, wird der Biofilm ständig Bakterien erzeugen, die als frei schwimmende Einzelzellen freigesetzt werden, und Teile des Biofilms können in Klumpen abfallen. Wenn Wasser verwendet wird und durch die Rohrleitungen oder den Wasserhahn fließt, die den Biofilm enthalten, entsteht das Kontaminationsrisiko an der Stelle, an der das Wasser verwendet wird⁴.

Um die Möglichkeit der Biofilmbildung zu vermeiden, muss das Wasserverteilungssystem entsprechend ausgelegt sein. Dies erfordert glatte Innenflächen in Tanks und Rohrleitungen. Denn an glatten Oberflächen haften Mikroorganismen weniger gut als an rauen Oberflächen. Auch auf Rohrverbindungen und Schweißnähte muss geachtet werden, da diese die Oberflächenglätte stören können. Ein weiterer wichtiger Mechanismus ist die ständige Bewegung des Wassers in Tanks und die schnelle Strömung des Wassers in Rohrleitungen. Wenn sich das Wasser ausreichend schnell und mit dem richtigen Maß an Turbulenz bewegt, führen Scherkräfte dazu, dass Mikroorganismen nur schlecht an den Oberflächen haften. Im Gegensatz dazu können bei langsamer Wasserbewegung Mikroorganismen beginnen, an Oberflächen zu haften (daher ist die Vermeidung von Bereichen, in denen Wasser stagnieren kann, wie z. B. Toträume, ein wichtiges Konstruktionsprinzip). Auch in Ventilen kann Wasser stagnieren, besonders an Entnahmestellen und noch mehr an Entnahmestellen, die nicht häufig und regelmäßig benutzt werden. Dem wird durch den Einsatz von sogenannten hygienischen oder totraumfreien Ventilen entgegengewirkt.

Endotoxine sind Bestandteile der äußeren Zellmembran von gramnegativen Bakterien. Natürlich vorkommende Endotoxine sind ein Komplex aus Zellwandkomponenten wie Phospholipiden, Lipoproteinen und Lipopolysacchariden. Ein Teil der Lipopolysaccharide wird als Lipid A bezeichnet, und es ist diese Komponente, die das Immunsystem von Säugetieren stimuliert und eine pyrogene Reaktion (Fieber) oder einen endotoxischen Schock auslösen kann. Aus diesem Grund ist die Endotoxinkontrolle von Wassersystemen bei der Herstellung von sterilen Arzneimitteln, insbesondere bei solchen, die intravenös verabreicht werden, von größter Bedeutung. Damit eine pyrogene Reaktion ausgelöst werden kann, müssen große Mengen an Endotoxin im Blutkreislauf vorhanden sein (Endotoxämie), die von einer hohen Anzahl gramnegativer Bakterien stammen.

Endotoxin-produzierende gramnegative Bakterien in Wasser sind sehr heterogen. Die Potenz variiert je nach Bakterienart und -stamm sowie nach Löslichkeit und Molekulargewicht. Die potentesten Endotoxine sind diejenigen mit dem höchsten molekularen Lipid-A-Gewicht und diejenigen, die am stärksten desaggregiert sind. In Wasser hat das Endotoxin die Tendenz, zu Vesikeln (membranösen Strukturen) zu aggregieren. Die Größe dieser Vesikel ist abhängig von der Art der Lipopolysaccharidstruktur und dem pH-Wert, der Salzkonzentration und der Reinheit des Wassers. In reinem Wasser liegt die Größe typischerweise zwischen 20.000 und 100.000 Dalton. Solche Aggregate von Endotoxinen haben eine hohe Affinität zu Oberflächen⁵.

Wichtige Punkte der Guideline

Wichtige Punkte der Guideline sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zu beachten ist, dass die Tabelle nur die wichtigsten Punkte enthält; es gibt jedoch noch weitere Aspekte der Wassernutzung, die in dem Dokument skizziert werden.

In Bezug auf bestimmte pharmazeutische Produkte gibt die Guideline an, dass für Wasser als "Wirkstoff" Folgendes erforderlich ist.

• Biologika (einschließlich Impfstoffe und ATMP): WFI
• Parenteralia: WFI
• Ophthalmologika: gereinigtes Wasser
• Hämofiltrationslösungen und Hämodiafiltrationslösungen: WFI
• Lösungen für die Peritonealdialyse: WFI
• Irrigations-Lösungen: WFI
• Nasen-/Ohrenpräparate: gereinigtes Wasser
• Kutane Zubereitung: gereinigtes Wasser
• Alle nicht sterilen Produkte: gereinigtes Wasser

Darüber hinaus gibt das Dokument eine Anleitung für die erforderliche Wasserqualität für die Herstellung bestimmter Produkttypen.

• Granulierung: gereinigtes Wasser.
• Tablettenüberzug: gereinigtes Wasser.
• Wird in der Formulierung vor der unsterilen Lyophilisation verwendet: gereinigtes Wasser.
• Wird in der Formulierung vor der sterilen Lyophilisation verwendet: WFI.

Solche Informationen liefern klarere Erwartungen hinsichtlich der angemessenen Wasserqualität für verschiedene Herstellungsstufen, ähnlich wie der Annex 1 des EU-GMP-Leitfadens Beispiele für Reinraumaktivitäten in Bezug auf verschiedene Reinraumklassen liefert.

Zusammenfassung

Die neue Guideline ist hilfreich, insbesondere durch die Beispiele für verschiedene Anwendungen von pharmazeutischem Wasser und die entsprechenden Qualitätsstandards. Das Dokument unterstützt die Anforderungen des Europäischen Arzneibuchs und des EU-GMP-Leitfadens und gibt Hinweise auf die Bereiche, die wahrscheinlich während einer europäischen GMP-Inspektion näher betrachtet werden.

Referenzen

1. EMA. Guideline on the Quality of Water for Pharmaceutical Use. EMA/CHMP/CVMP/QWP/496873/2018. Amsterdam, The Netherlands: EMA; 20. Juli 2020. Verfügbar unter: https://www.ema.europa.eu/en/documents/scientific-guideline/guideline-quality-water-pharmaceutical-use_en.pdf - GMP-BERATER, Kapitel G.4
2. Sandle T. An approach for the reporting of microbiological results from water systems. PDA Journal of Pharmaceutical Science and Technology 2004;58(4):231-237.
3. GMP/GDP Inspectors Working Group. Questions and Answers on Production of Water for Injections by Non-Distillation Methods - Reverse Osmosis and Biofilms and Control Strategies EMA/INS/GMP/443117/2017. Amsterdam, The Netherlands: EMA; 1. August 2017. Verfügbar unter: https://www.ema.europa.eu/en/documents/other/questions-answers-production-water-injections-non-distillation-methods-reverse-osmosis-biofilms_en.pdf
4. Sandle T. Bacterial adhesion: an introduction. Journal of Validation Technology 2013;19(2). Verfügbar unter: http://www.ivtnetwork.com/article/bacterial-adhesion-introduction
5. Sandle T. Bacterial endotoxin testing using the limulus amebocyte lysate assay. In: Kőszegi T und Chesca A (Eds), Laboratory Techniques with Applicability in Medical Practice. Rīgā, Lettland: Lambert Academic Publishing; 2015, S. 19-32.
6. Richtlinie 98/83/EG des Rates vom 3. November 1998 über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch. Verfügbar unter: https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1998:330:0032:0054:de:PDF
7. EDQM. Europäische Pharmakopöe, "Wasser für Injektionszwecke" (0169). Strasbourg, Frankreich, 1. April 2017.
8. EDQM. Europäische Pharmakopöe, "Gereinigtes Wasser" (0008). Strasbourg, Frankreich: EDQM.
9. EDQM. Europäisches Arzneibuch, "Wasser zur Herstellung von Extrakten" (2249). Strasbourg, Frankreich: EDQM.

Autor

Dr. Tim Sandle
Pharmazeutischer Mikrobiologe, Wissenschaftsautor und Journalist
https://www.timsandle.com/