Nachhaltigkeit in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung: Wasser, Umweltbelastung und Kreislaufwirtschaft

Regulatorischer Druck beschleunigt Nachhaltigkeit in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung

Regulatorische Signale verändern bereits heute die Zeitpläne in Forschung und Entwicklung (F&E). Die aktualisierten Leitlinien der Europäischen Arzneimittel-Agentur (European Medicines Agency, EMA) zur Umweltverträglichkeitsprüfung (Environmental Risk Assessment, ERA) machen die Einreichung einer ERA bei der Marktzulassung verpflichtend und verschärfen die Anforderungen an Daten zur Umweltverteilung und Ökotoxikologie¹European Medicines Agency (EMA). (2024, 12. September). Umweltrisikobewertung von Arzneimitteln zur Anwendung beim Menschen – Wissenschaftliche Leitlinie [auf Englisch]. EMA. https://www.ema.europa.eu/en/environmental-risk-assessment-medicinal-products-human-use-scientific-guideline. Das bedeutet, dass Informationen darüber, wie sich eine Substanz in der Umwelt verhält und welche Toxizität sie für aquatische Organismen aufweist, deutlich früher im Entwicklungsprozess erhoben werden müssen. Darüber hinaus stellt die Methodik des Product Environmental Footprint (PEF) der Europäischen Kommission standardisierte Leitlinien zur Bewertung der Umweltauswirkungen von Produkten über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg bereit, einschließlich pharmazeutischer Produkte²European Platform on Life Cycle Assessment (EPLCA). (o. D.). Umweltfußabdruck [auf Englisch]. European Platform on Life Cycle Assessment (EPLCA). https://eplca.jrc.ec.europa.eu/EnvironmentalFootprint.html. Auf globaler Ebene fördert die Initiative „Greener Pharmaceuticals Regulatory Highway“ der Weltgesundheitsorganisation (World Health Organization, WHO) die Einführung digitaler und regulatorischer Innovationen, die eine umweltärmere Herstellung, Distribution und Nutzung von Medizinprodukten unterstützen³World Health Organization (WHO). (o. D.). Regulatorischer Weg für umweltfreundlichere Arzneimittel [auf Englisch]. WHO. https://www.who.int/publications/m/item/greener-pharmaceuticals-regulatory-highway. Dies deutet darauf hin, dass Regulierungsbehörden künftig Nachhaltigkeitsdaten auf Produktebene stärker einfordern oder fördern könnten. Nationale Initiativen folgen diesem Trend: Frankreich hat eine Methodik zur Bewertung des CO₂-Fußabdrucks von Arzneimitteln veröffentlicht und erprobt sektorale Ansätze, die Umweltkennzahlen auf Produktebene für Beschaffung und Marktzugang relevant machen, wie in Teil II dieser Serie beschrieben⁴Direction Générale des Entreprises (DGE). (2025). CO₂-Fußabdruck von Arzneimitteln: Bewertungsmethodik [auf Englisch]. https://www.entreprises.gouv.fr/files/files/Publications/2025/Guide/eng-bro-a4-methodo-dge-0128.pdf. Diese Entwicklungen zeigen, dass Umweltleistung bereits in den Forschungs- und Entwicklungsphasen berücksichtigt werden muss und nicht erst im Nachhinein ergänzt werden kann.

Integration von Umweltaspekten in das frühzeitige Wirkstoffdesign

In der Praxis kann F&E Umweltwirkungen auf verschiedene Weise adressieren, und nicht ausschließlich über den CO₂-Fußabdruck. In der Wirkstoffentdeckung und Lead-Optimierung beispielsweise beeinflusst die chemische Struktur eines Kandidatenmoleküls dessen Persistenz sowie das Potenzial zur Bioakkumulation. Der Einsatz von in silico-Methoden und experimentellen Screenings zur biologischen Abbaubarkeit sowie zur grundlegenden aquatischen Toxizität ermöglicht es, risikoreiche chemische Strukturen frühzeitig zu identifizieren und dadurch kostspielige spätere Neudesigns zu vermeiden⁵Hemmerich, J., & Ecker, G. F. (2020). In-silico-Toxikologie: Von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen hin zu Deep Learning und Adverse Outcome Pathways [auf Englisch]. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 10(4), e1475. https://doi.org/10.1002/wcms.1475.

Während des Route Scoutings der Synthesewege ermöglichen verschiedene Tools und Ansätze einen relevanten Vergleich zwischen Routen hinsichtlich Umweltwirkung und wirtschaftlicher Effizienz⁶Crawford, S. E., Hartung, T., Hollert, H., Mathes, B., Van Ravenzwaay, B., Steger-Hartmann, T., Studer, C., & Krug, H. F. (2017). Grüne Toxikologie: Eine Strategie für die nachhaltige Entwicklung von Chemikalien und Materialien [auf Englisch]. Environmental Sciences Europe, 29(1), 16. https://doi.org/10.1186/s12302-017-0115-z:

Tools:

• Process Mass Intensity (PMI): Diese Kennzahl misst die Gesamtmasse aller eingesetzten Materialien zur Herstellung einer Produkteinheit. Ein niedriger PMI weist auf einen effizienteren Ressourceneinsatz hin und führt zu weniger Abfall sowie einem geringeren Umweltfußabdruck.
• Solvent Acceptability Matrices: Diese bewerten Lösungsmittel anhand von Umweltgefahren, Sicherheit und regulatorischen Anforderungen. Die Wahl umweltfreundlicher Lösungsmittel kann toxische Emissionen reduzieren, die Laborsicherheit erhöhen und den Aufwand für Abfallbehandlung verringern.
• Environmental Factor (E-Factor): Diese Kennzahl berechnet die Masse an Abfall, die pro Produkteinheit entsteht. Ein niedriger E-Factor bedeutet geringere Abfallmengen, weniger Entsorgungsbedarf und eine reduzierte Umweltbelastung.

Ansätze:

• Telescoped Reactions: Die Kombination mehrerer Reaktionsschritte ohne Isolierung von Zwischenprodukten reduziert den Lösungsmittelverbrauch, den Energieeinsatz und die Abfallentstehung.
• Continuous Flow Processes: Reaktionen werden in einem kontinuierlichen, kontrollierten Durchfluss statt in diskontinuierlichen Chargen durchgeführt, was die Energieeffizienz verbessert, chemische Abfälle reduziert und häufig die Produktqualität erhöht.
• Enzymatische Schritte: Der Einsatz biologischer Katalysatoren anstelle aggressiver chemischer Reagenzien senkt den Bedarf an gefährlichen Substanzen und reduziert schädliche Nebenprodukte.

Umgang mit Wasser und Materialien unter Berücksichtigung der Kreislaufwirtschaft

Umweltaspekte variieren je nach Modalität. Bei kleinen Molekülen stehen typischerweise Lösungsmittelverbrauch, chemische Gefahren und Energieverbrauch im Vordergrund, während bei Biologika insbesondere Wasserverbrauch, Abwassermanagement sowie Einwegkunststoffe und Festabfälle relevant sind. Prozesse wie Fermentation, Pufferherstellung, Chromatographie und Cleaning-in-Place erzeugen große Mengen an Wasser für Injektionszwecke sowie wässrige Abfälle. Obwohl Single-Use-Technologien wie Einweg-Bioreaktoren und Schläuche den Bedarf an Wasser, Chemikalien und Energie für Reinigungsprozesse reduzieren können, führen sie gleichzeitig zu mehr Kunststoffabfällen, was die Zielkonflikte bei der Gestaltung nachhaltiger biologischer Prozesse verdeutlicht⁷Chen, Z., Lian, J. Z., Zhu, H., Zhang, J., Zhang, Y., Xiang, X., Huang, D., Tjokro, K., Barbarossa, V., Cucurachi, S., & Dong, B. (2024). Anwendung der Lebenszyklusanalyse in der pharmazeutischen Industrie: Eine kritische Übersicht [auf Englisch]. Journal of Cleaner Production, 459, 142550. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142550⁸Argoud, S., Budzinski, K., D’Aquila, D., Madabhushi, S. R., & Smith, P. (2022). Grüne Metriken für Biologika [auf Englisch]. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 35, 100614. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2022.100614.

Zur Reduzierung der Umweltwirkungen pharmazeutischer F&E sollten Upstream- und Downstream-Ansätze miteinander kombiniert werden. Im Bereich des Abwassermanagements kann die Entfernung aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe (Active Pharmaceutical Ingredients, APIs) verbessert werden, indem API-reiche Ströme separat behandelt und gezielte Aufbereitungsmethoden eingesetzt werden. Dies kann die Kombination konventioneller biologischer Behandlung mit zusätzlichen Verfahren wie Aktivkohleadsorption oder fortgeschrittenen Oxidationsprozessen zur Abbaureduktion von Schadstoffen umfassen⁹Hübner, U., Spahr, S., Lutze, H., Wieland, A., Rüting, S., Gernjak, W., & Wenk, J. (2024). Fortgeschrittene Oxidationsprozesse für die Wasser- und Abwasserbehandlung – Leitlinien für systematische zukünftige Forschung [auf Englisch]. Heliyon, 10(9), e30402. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e30402. Diese Technologien sind wirksam, verursachen jedoch Betriebskosten und können Transformationsnebenprodukte erzeugen, die sorgfältig überwacht werden müssen. Die „Clean Water“-Initiative von Boehringer Ingelheim, die 2011 im Rahmen des Be Green Programms gestartet wurde, zeigt, wie ein umfassendes Abwassermanagement Spuren von Arzneimitteln deutlich unter wirksamen Schwellenwerten halten kann und damit lokale Wasserressourcen schützt und gleichzeitig nachhaltige Produktion sowie Gesundheit der lokalen Bevölkerung unterstützt.

Die Anwendung von Prinzipien der Kreislaufwirtschaft ist ebenso entscheidend für Einweg-Setups in klinischen Anwendungen und Verpackungen. Strategien wie die Minimierung von Primärverpackungen, die Validierung von Spenden- oder Wiederverwendungswegen, sofern klinisch und regulatorisch zulässig, sowie ein Design mit Blick auf Recyclingfähigkeit können die Umweltwirkungen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg deutlich reduzieren, ohne die Patientensicherheit zu beeinträchtigen. Ebenso ist die Einbindung von Lieferanten essenziell: F&E-Teams sollten frühzeitig Informationen zu Produktionsauswirkungen einholen, einschließlich PMI, Lösungsmittelinventaren, Wasserbilanzen und Abfallbehandlungspraktiken.

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Von der Verpflichtung zur messbaren Wirkung

F&E-Teams müssen keine eigenen Instrumente entwickeln, um ihre Umweltwirkungen zu bewerten. Etablierte Methoden für einen objektiven Vergleich sind unter anderem Green-Chemistry-Kennzahlen wie PMI und E-Factor, Solvent-Acceptability-Matrizen, Methoden der Produktlebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment, LCA) sowie Green-Chemistry-Scorecards¹⁰Rose, H. B., Kosjek, B., Armstrong, B. M., & Robaire, S. A. (2022). Grüne und nachhaltige Metriken: Wegweiser für eine „green-by-design“-Synthese kleiner Wirkstoffmoleküle (API) [auf Englisch]. Current Research in Green and Sustainable Chemistry, 5, 100324. https://doi.org/10.1016/j.crgsc.2022.100324. So hat beispielsweise Sanofi die LCA-Methodik genutzt, um Eco-Design-Prinzipien[2] in seine F&E-Prozesse zu integrieren. Das Unternehmen verfolgt das Ziel, diese Prinzipien bis 2025 auf alle neuen Medikamente und Impfstoffe anzuwenden und bis 2030 auf die 20 umsatzstärksten Produkte auszuweiten¹¹Sanofi. (2023, 5. Juni). Wir betreiben Ökodesign – von der Forschung und Entwicklung bis zur Vermarktung [auf Englisch]. Sanofi Magazine. https://www.sanofi.com/en/magazine/sustainability/we-re-eco-designing-from-rd-to-commercialization. Ebenso zeigt das Green Labs Programme von AstraZeneca, wie die Einbindung von Mitarbeitenden aus F&E und Produktion dazu beitragen kann, Nachhaltigkeitsinitiativen zu skalieren, den Energieverbrauch zu senken, Abfälle zu reduzieren und Laborprozesse zu innovieren. Dieser Ansatz reduziert die Umweltbelastung und sorgt gleichzeitig dafür, dass in Forschungsabteilungen verantwortungsbewusster und effizienter gearbeitet wird¹²AstraZeneca. (2025, 13. März). Grüne Labore: Eine Kultur nachhaltiger Wissenschaft schaffen [auf Englisch]. AstraZeneca. https://www.astrazeneca.com/what-science-can-do/topics/sustainability/creating-culture-sustainability-across-labs.html. Diese Initiativen globaler Pharmaunternehmen zeigen, wie Nachhaltigkeitsinstrumente und kollaborative Programme ambitionierte Eco-Design-Ansätze in konkrete F&E-Aktivitäten überführen können.

Pharmaunternehmen können CSR-Verpflichtungen in messbare Ergebnisse überführen, indem Umweltaspekte in jede Phase der F&E integriert werden. Dies betrifft nicht nur das Arzneimittel selbst, sondern auch zugehörige Materialien, Geräte und Applikationswege, von der frühen Wirkstoffscreening-Phase und der Auswahl von Syntheserouten bis hin zu klinischen Abläufen und Ressourcenmanagement. Instrumente wie Green-Chemistry-Kennzahlen, gezielte Abwasserbehandlung und Lebenszyklusanalysen ermöglichen fundierte Entscheidungen, die die Umweltbelastung reduzieren und gleichzeitig wissenschaftliche Exzellenz sowie Wettbewerbsfähigkeit sicherstellen. Angesichts zunehmender regulatorischer Anforderungen und gesellschaftlicher Erwartungen ist die Integration von Nachhaltigkeit in den Entdeckungs- und Entwicklungsprozess keine Option mehr, sondern eine strategische Notwendigkeit. Unternehmen, die diesen Ansatz verfolgen, schützen nicht nur die Umwelt, sondern stärken auch ihre Reputation, verbessern ihre operative Effizienz und entwickeln innovative Medikamente, die wissenschaftliche Exzellenz mit verantwortungsvollem und nachhaltigem Management verbinden. Wir von Alcimed begleiten F&E-Teams dabei, diese Nachhaltigkeitsstrategien in praktische und messbare Maßnahmen zu überführen, die eine nachhaltige Wirkung erzielen. Kontaktieren Sie unser Team!

[1] Route Scouting bezeichnet die frühzeitige Bewertung verschiedener Synthesewege zur Herstellung eines Moleküls mit dem Ziel, den effizientesten, kostengünstigsten und nachhaltigsten Herstellungsprozess zu identifizieren.

[2] Eco-Design bezeichnet die Gestaltung von Produkten und Prozessen unter frühzeitiger Berücksichtigung von Umweltaspekten mit dem Ziel, Ressourcenverbrauch, Energieeinsatz und Abfallentstehung über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu minimieren.

Über die Autoren,

Haiko, Senior Consultant in Alcimeds Life Sciences Team in Deutschland
Elisabeth, Business Unit Director in Alcimeds Life Sciences Team in Deutschland