Ziel der Entwicklung
Die Motivation für das Projekt war eine Kooperation mit einem forschenden Pharmaunternehmen zur Entwicklung eines neuartigen Therapieverfahrens mit biologisch aktiven Zellbetandteilen (Therapeutische Mitochondrientransplantation). Die gemeinsame Zielstellung ist die Entwicklung eines kryokonserviert lagerfähigen Off-the-Shelf-Produktes durch serielle Einzeldosisvitrifikation. Zu diesem Zweck sollten Im Rahmen des F&E-Vorhabens ein Vitrifikationssystem sowie ein zugehöriges Verfahren zur vitalitätserhaltenden Überführung biopharmazeutischer Produkte in ein vitrifiziertes, streu- und langzeitlagerfähiges Mikrogranulat entwickelt werden. Die geplante technische Umsetzung basiert auf einer Produktzerlegung in Mikrotropfen nach dem Prinzip von Plateau-Rayleigh und einer anschließende Vitrifikation der erzeugen Mikrotropfen durch den Kontakt mit einem tiefkalten Vitrifikationsmedium. Im Projektrahmen sollten zwei technische Varianten des Vitrifikationsverfahrens entwickelt werden, bei denen als Vitrifikationsmedium wahlweise eine tiefkalte Flüssigkeit (Fluidverfahren) oder eine tiefkalte Metallfläche (Flächenverfahren) zum Einsatz kommen. Der Vorteil der Mikrotropfenvitrifikation gegenüber klassischen Kryokonservierungsverfahren besteht in einer extrem hohen Abkühlgeschwindigkeit, die zum amorphen Erstarren der Produkttröpfchen ohne die Ausbildung schädlicher Eiskristalle (Vitrifikation) führt. Dadurch soll es gelingen, biopharmazeutische Produkte ohne den Zusatz toxischer Gefrierschutzadditive zu kryokonservieren. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für die medizinische Zulassung der Produkte für eine direkte medizinische Anwendung mittels Injektion.
Vorteile und Lösungen
Zur Erzeugung monodisperser Produkttropfen wird die Produktlösung über eine geeignete Spritzenpumpe mit kontinuierlicher Durchflussrate aus einer sterilen Produktspritze appliziert. Die Spritze ist mit einer wiederverwendbaren Applikationskanüle mit einer Düsenspitze geeigneten Austrittsdurchmessers ausgestattet, welche über eine Magnetkopplung mit einem Piezo-Linearaktuator verbunden ist. Über den Piezoaktuator wird die Kanülenspitze in eine hochfrequente sinusförmige Schwingung mit einer Amplitude von wenigen Mikrometern versetzt. Die innovative Magnetkupplung, welche einen Spritzentausch mit nur einem Handgriff erlaubt, überträgt das Anregungssignal verlustfrei auf die Kanüle. Durch die hochfrequente Schwingungsanregung wird der applizierte Produk tstrahl unter Nutzung der Plateau-Rayleigh-Instabilität in bis zu 9100 gleichförmige Produkttröpfchen pro Sekunde zerlegt. Die Tröpfchen mit einer frei wählbaren Größe von ca. 100 µm bis 250 µm und einem Volumen von 0,6 nl bis 6,0 nl werden durch den Kontakt mit einem tiefkalten Vitrifikationsmedium in ein streufähiges, tiefkaltes Mikrogranulat überführt. Die Vitrifikation kann in zwei unterschiedlichen Verfahren erfolgen, die im Rahmen des F&E-Projektes entwickelt wurden. Im Fluidverfahren werden die Tröpfchen einzeln in eine bewegte, tiefkalte Flüssigkeit (Vitrifikationsfluid) überführt, in welcher sie aufgrund des Dichteunterschiedes eindringen und dabei schlagartig und ohne Eisbildung erstarren. Die gefrorenen Produktkörner sammeln sich auf dem Boden des Vitrifikationsgefäßes und werden anschließend thermisch oder durch Filtration vom Vitrifikationsfluid getrennt. Im Flächenverfahren erfolgt die Vitrifikation auf einer tiefkalten Edelstahlfläche. Im der verfahrenstechnischen Umsetzung ist diese als Mantelfläche einer innengekühlten, schnelldrehenden Vitrifikationsrolle ausgeführt, auf welche die Produkttröpfchen von oben aufgetragen werden und sofort vitrifizieren. Das erzeugte Produktkorn wird nach einer halben Rollendrehung mit einem Abstreifdraht von der Unterseite der Rolle abgelöst und fällt in ein gekühltes Sammelgefäß. In beiden Verfahrensvarianten lassen sich theoretische Abkühlgeschwindigkeiten von mehr als 2 Millionen Grad Celsius pro Minute erreichen. Das erzeugte Produktgranulat mit den vitalen Zellen oder Zellbestandteilen ist streufähig. Es kann in eine sterile Produktspritze abgefüllt und bis zur Verwendung tiefgekühlt gelagert werden. Durch Aufziehen der Spritze mit einer warmen Pufferlösung erhält man ein anwendungsfertiges Produkt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Zielmarkt des entwickelten Verfahrens ist die pharmazeutische Industrie. Hier soll die Mikrotropfenvitrifikation eine lagerfähige Formulierung neuartiger, biopharmazeutischer Produkte mit lebenden oder biologisch aktiven Bestandteilen für die direkte Anwendung am Menschen ermöglichen. Zu dieser Produktgruppe zählen im weiteren Sinne ATMP und artverwandte subzellulare Therapeutika. Im engeren Sinne ist eine Verfahrensanwendung im Bereich der Mitochondrientherapie und der somatischen Zelltherapie mit CAR-T-Zellen und NK-Zellen geplant. Diese Therapieverfahren stellen insbesondere im Bereich der Onkologie eine medizinische Revolution dar, sind aber derzeit aufgrund des aufwändigen individuellen Therapieansatzes noch sehr Kostenintensiv. So kostet ein Therapiezyklus zur Leukämiebehandlung mit dem CAR-T-Zelltherapeutikum Kymriah von Novartis aktuell etwa 300.000 bis 400.000 €. Gelingt es, mit Hilfe der Mikrotropfenvitrifikation ein lagerfähiges allogenes Off-the-Shelf-Produkt zu entwickeln, könnte dies zu einer Senkung der Therapiekosten um bis zu 90 % führen und eine Erstlinientherapie mit modernen, hochwirksamen Biopharmazeutika ermöglichen. Das ILK Dresden hat das entwickelte Vitrifikationsverfahren zum Patent angemeldet, um durch Lizenzeinnahmen an den Verkäufen mit Hilfe der entwickelten Mikrotropfenvitrifikation erzeugter biopharmazeutischer Produkte zu partizipieren. Mit einem ersten Unternehmen werden bereits Verhandlungen über einen Lizenzvertrag geführt. Bei jährlichen Umsätzen von mehr als 1 Mrd. USD mit den 10 weltweit führenden ATMP wird mit einem deutlichen wirtschaftlichen Effekt für das Unternehmen nach der Markteinführung der ersten vitrifizierten Off-the-Shelf-Therapeutikums durch einen Wirtschaftspartner gerechnet.
