Moderna Therapeutics liefert mRNA-Arzneimittel schneller und kostengünstiger mit AWS

Moderna Therapeutics wurde 2010 mit dem Ziel gegründet, das Versprechen der Messenger RNA (mRNA)-Wissenschaft einzuhalten, um neuartige Medikamente für unerfüllte Patientenbedürfnisse zu entwickeln. Die Schwerpunktbereiche des Unternehmens beinhalten Infektionskrankheiten, Krebs/Immunonkologie, Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie seltene Leber- und Lungenerkrankungen. Einschließlich sowohl interner als auch Partnerprogramme, gibt es 16 mRNA-Medikamente in der Entwicklungs-Pipeline von Moderna: neun prophylaktische Impfstoffe, zwei therapeutische Impfstoffe und fünf Therapeutika. Sieben dieser Medikamente, darunter ein immunonkologisches Therapeutikum, sind bereits in klinischen oder menschlichen Studien.

Neue Medikamente auf den Markt zu bringen, kann ein Jahrzehnt dauern und über 1 Milliarde USD kosten. Dies gilt sowohl für traditionelle, niedermolekulare Arzneimittelentwicklung als auch für Biologika (wie rekombinante Proteine und monoklonale Antikörper), die von Biotechnologieunternehmen entwickelt wurden. Die Gründe für solch lange Zeiträume und die hohen Kosten beinhalten experimentelle Zykluszeiten und das Bedürfnis, benutzerdefinierte Einrichtungen zu entwerfen, die individuelle Medikamente prüfen oder herstellen. Ein weiteres Hindernis ist die Anforderung, komplexe Good Laboratory Practices (GLP), Good Manufacturing Processes (GMP) und die U.S. Food and Drug Administration (FDA) 21 CFR Teil 11 Vorschriften - im allgemeinen GxP bezeichnet - zu befolgen. Biotechs und traditionelle Pharmaunternehmen stellen sich zusätzlichen Herausforderungen, wie isolierten Daten, die die Zusammenarbeit und Entwicklung von Schlüsselerkenntnissen verhindern, sowie der Unflexibilität von Rechenzentren On-Premises für die Unterstützung wissenschaftlichen Workflows und Hochleistungsberechnungen.

Die Gründer von Moderna haben erkannt, dass durch die Nutzung von mRNA als ein Medikamenten-Abgabe-Mechanismus, die Tür für nicht-traditionelle Ansätze zur Medikamentenentwicklung öffnen könnte, welches viele dieser Herausforderungen überwinden könnte. „Traditionelle Medikamente müssen in einer Fabrik entwickelt werden und dann in die Körper der Patienten eingeführt werden,“ sagt Dave Johnson, Leiter der Informatikabteilung bei Moderna Therapeutics. „Messenger-RNA-Medikamente sagen dem Körper des Patienten, wie er das Medikament selbst produzieren kann, fast wie biologische Software.“

Um das Potenzial von mRNA-basierten Medikamenten auszuschöpfen, benötigt Moderna IT-Infrastruktur, die leistungsstarke, skalierbare Berechnung sowie Automatisierung und unternehmensweite Datenintegration unterstützt.

Mit diesen Zielen vor Augen, begann Moderna früh, Amazon Web Services (AWS) Cloud zu nutzen und AWS ist eine Kernkomponente, die die Medikamentenforschung, -entwicklung und Herstellungsprozesse antreibt. In der AWS Cloud hat Moderna alles, was es benötigt, um die IT-Strategie zu erreichen, die auf Hochleistungsberechnungen, Datenintegration, leistungsstarken Analytiken, Automatisierung von Labor- und Herstellungsprozessen und Compliance mit anwendbaren Gesetzen, Regeln und Verordnungen basieren. „AWS-Technologie, zusammen mit dem AWS-Beteiligungs- und Beziehungsmodell, sind unter den Cloud-Anbietern unvergleichbar“, sagt Marcello Damiani, Leiter der Digitalabteilung bei Moderna. „Angesichts der geringen Größe unseres Unternehmens und unseren ehrgeizigen Zielen, ist AWS für unsere Digitalisierungsstrategie unabdingbar.“

Die leistungsstarken und flexiblen Berechnungsfähigkeiten der AWS Cloud helfen Moderna, die Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und niedrigen Kosten zu erreichen, die den zentralen Grundsatz seines Geschäftsmodells darstellen. Die Wissenschaftler von Moderna beginnen mit der Entwicklung von mRNA-Medikamenten, indem sie auf einen Online-Katalog zugreifen, um Proteine auszusuchen, die als Ansatzpunkt für zukünftiges Engineering dienen. Dieser Katalog ist Teil von Moderna’s Drug Design Studio, oder DDS – eine urheberrechtlich geschützte und intern entwickelte Webanwendung, die auf AWS gehostet wird. DDS verwendet einen rechnergestützten Algorithmus, um mRNA-Abläufe zu identifizieren, die für bestimmte medizinische Effekte optimal sind.

Da das Volumen dieser Workloads variiert, verwendet Moderna Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) mit Auto Scaling, um neue Instances bei Bedarf nach oben oder unten zu bringen. Durch die Verwendung von Amazon EC2 Spot Instances, entstehen für Moderna bis zu 90 Prozent weniger Kosten, als für On-Demand-Instances. Wenn bei Amazon EC2 Spot Instances der nicht zu überschreitende Gebotspreis von Moderna von einem anderen Benutzer überboten wird, werden die Instances heruntergefahren, dies beschädigt jedoch nicht die DDS rechnergestützten Workloads, die angehalten werden können.

Die DDS-Anwendung liefert Computing-Aufträge an einen Cluster-Haupt-Mikroservice, welcher Amazon Relational Database Service(Amazon RDS) verwendet, um diese zu speichern und platziert jegliche, mit dem Auftrag verbundene Daten, in Amazon Simple Storage Service (Amazon S3). Als nächstes werden Aufträge in Amazon Simple Queue Service (Amazon SQS) verschoben. Amazon-EC2-Instances erhalten die Aufträge, bearbeiten die Arbeit und verwenden Amazon SQS, um Ergebnisse an den Cluster-Master zurückzugeben, der dann Amazon SQS und Amazon Simple Notification Service(Amazon SNS) nutzt, um die DDS-Anwendung zu informieren, dass die Arbeit erledigt ist. Sobald die Bestellung für ein bestimmtes mRNA-Konstrukt aufgegeben wurde, wird diese an die vorklinische Produktionsstätte von Moderna zur Herstellung gesandt. Diese Produktionsstätte, die für höchstmöglichen Durchsatz stark automatisiert wurde, kann bis zu 1 000 dieser Konstrukte monatlich erstellen. Moderna oder seine Partner bewerten dann die Konstrukte durch vorklinische oder Tierstudien, um zu sehen, ob diese als Kandidaten zur Weiterentwicklung erklärt werden können und in das weiterführende klinische Stadium kommen.

Um mRNA-Therapeutika und Impfstoffe zu produzieren, die klinische Qualität aufweisen und in menschlichen Studien genutzt werden, konstruiert Moderna eine 200 000 Quadratfuß große Good Manufacturing Practices (GMP)-Produktionsstätte, die im Jahr 2018 betriebsbereit sein soll. Die Qualität, die Lieferkette und die GMP-Prozesse dieser Produktionsstätte werden von einer GxP-IT-Umgebung angetrieben, die Moderna in der AWS Cloud gebaut hat und das ein vollständig integriertes Ökosystem aus Anwendungen ermöglicht. Der Eckpfeiler dieses Ökosystems ist SAP S/4HANA ERP, welches AWS Services nutzt, um sich mit Produktionsinstrumenten, Robotik und anderen integralen Systemen zu verbinden, wie z. B. LabVantage Laboratory Information Management Systems (LIMS), Emerson Syncade Manufacturing Execution Systems (MES) und einer datenhistorischen Lösung von OSIsoft PI.

Moderna verwendet ebenso Amazon Redshift, für einfaches, kosteneffektives Data Warehousing, um Silos zu vermeiden und eine einzige Source of Truth für Unternehmensdaten zu bilden. Durch die Nutzung von Amazon Redshift als zentrales Repositorium, kann das Unternehmen seine gesamten Daten einmalig festhalten - mit geringem manuellen Aufwand - und Data-Science-Tools für Business-Intelligence nutzen, um seinen Wissenschaftlern Zugang zu informativen Visualisierungen zu gestatten, welches ihnen hilft, Korrelationen zu finden, Erkenntnisse zu entwickeln und Entscheidungen zu treffen. Backups werden an Amazon S3 übertragen, das hochskalierbar ist und 99,999999999 Prozent jährliche Nutzungsdauer, Versioning, regionenübergreifende Replikation, robusten Backup und Notfallwiederherstellungsfähigkeiten bietet.

Damiani sagt, dass Berater von AWS Professional Servicesmit Erfahrung in Biowissenschaften essentiell waren, um Moderna beim Bau dieser vollständig validierten Umgebung in der AWS Cloud zu helfen. „AWS-Berater halfen uns, unseren Ansatz für die Validierung dieser Umgebung zu formulieren und stellten wesentliche Dokumente bereit, die uns dabei halfen,“ erklärt er. „Mit ihrer Hilfe haben wir validierte Systeme in die AWS Cloud eingeführt, die nie zuvor in der Cloud waren.“

Moderna verlässt sich auf die AWS Cloud und kann somit die Zeit verkürzen, die benötigt wird, um Medikamentenkandidaten in klinische Studien voranzubringen; die Agilität der Forschung, der Entwicklung und der Herstellungsprozesse zu erhöhen und Ergebnisse zu erlangen – wie personenbezogene Krebsimpfstoffe – was selbst vor ein paar Jahren noch unmöglich gewesen wäre.

Mit seiner, in der AWS Cloud gehosteten, IT-Infrastruktur hat Moderna ungewöhnlich schnelle vorklinische Medikamentenentwicklungen erreicht. Beispielsweise benötigte von den sieben Impfstoffen, die Moderna aktuell in klinischen Studien hat, nur einer – für den Zika-Virus – nur ein Jahr, um dieses Stadium zu erreichen. „Mit den Berechnungs- und Integrationsfähigkeiten von AWS, kombiniert mit unserem urheberrechtlich geschützten Drug Design Studio, können unsere Wissenschaftler eine Idee von einem einzigartigen Protein haben, es am gleichen Tag online bestellen und in weniger als einem Monat vorklinische Experimente darauf ausführen,“ sagt Damiani. „In traditioneller pharmazeutischer Forschungs- und Entwicklungarbeit würde es Jahre dauern, um den Punkt zu erreichen, für vorklinische Studien bereit zu sein, geschweige denn, die Medikamente an Menschen zu testen.“

Die Verwendung einer AWS Infrastruktur hilft Moderna auch, die hohen Kosten traditioneller Medikamentenentwicklung zu vermeiden. „Das Erreichen der Rechenleistung, die wir auf AWS haben, in unserem eigenen Rechenzentrum, würde uns mehrere Millionen Dollar kosten,“ sagt Johnson, der betont, dass die AWS-Infrastruktur des Unternehmens von lediglich einem Mitarbeiter verwaltet wird. „Amazon EC2 Spot Instances bietet Zugang zu großen Rechenkapazitäten zu sehr vernünftigen Preisen.“

AWS-Services ermöglicht es Moderna, seine Ziele für Datenintegration, Sicherung und Qualität leichter zu erreichen. „Traditionelle pharmazeutische Unternehmen haben riesige IT-Organisationen, die es schwer haben, mit der Kapazität und zwangsläufigen Sicherungen sowie Notfallwiederherstellungslösungen für Legacy-Systeme Schritt zu halten,“ sagt Damiani. „In der AWS Cloud müssen wir uns nie Gedanken über die Kapazität und Backups machen und die Wiederherstellung könnte nicht einfacher sein.“

AWS unterstützte auch Moderna bei der Validierung der GxP-Compliance, welches viel einfacher war, als es in einem On-Premises Rechenzentrum möglich gewese wäre. „Der Validierungsprozess wurde nicht nur von den AWS-Sicherheitskontrollen und Isolationsmöglichkeiten, sondern auch durch die Hilfe von AWS-Beratern, weitestgehend unterstützt,“ sagt Johnson. „Es ist unglaublich viel wert, mit AWS-Mitarbeitern zusammenarbeiten zu können, die nicht nur die Technologie kennen, sondern auch tiefreichende regulatorische Erfahrungen haben und unsere Branche wirklich verstehen.“

Damiani sagt, dass die AWS Cloud der Schlüssel zu Flexibilität und Agilität ist, der Moderna geholfen hat, so viel in einem so kurzen Zeitraum zu erreichen. „AWS ist eine großartige Plattform für Innovation, weil es so einfach ist, einfach neue Dinge auszuprobieren und zu sehen, wie sie für einen selbst funktionieren,“ sagt Damiani. „AWS war ein wichtiges Tool für uns, schnell zu einem Biotech-Unternehmen mit 550 Mitarbeitern heranzuwachsen, das 16 Medikamente in seiner Pipeline hat. Und bald werden wir in der Lage sein, mRNA-Medikamente zu produzieren, die benutzerdefiniert auf individuelle genetische Signaturen der Patienten zugeschnitten sind. Dies zeigt Ihnen die Leistung der AWS Cloud und die vielseitig einsetzbaren Möglichkeiten, wie wir es als Teil unserer Digitalisierungsstrategie nutzen und unser Geschäft damit voranbringen.“