Fraunhofer setzt auf Automatisierungstechnologien in der medizinischen Forschung

Translationale Medizin / 01. September 2020

Als Vorreiter auf dem Gebiet der angewandten Forschung bündelt die Fraunhofer-Gesellschaft die Expertise von 23 Fraunhofer-Einrichtungen, um im Innovationscluster »Produktion für Intelligente Medizin« neue Entwicklungs- und Herstellungstechnologien für innovative Zell- und Gentherapeutika sowie Impfstoffe zu entwickeln. Geplant ist in einem ersten Projektabschnitt die Konzeptionierung einer modularen Pilotanlage zur automatisierten Produktion dieser Therapeutika. Industrie 4.0 soll so mit Gesundheit 4.0 vereint werden.

© Fraunhofer IME | Bernd Müller
© Fraunhofer IBMT | Ina Meiser

Die individualisierte Medizin mit Arzneimitteln für neuartige Therapien, sogenannten ATMPs (Advanced Therapy Medicinal Products), ist ein Meilenstein in der Behandlung komplexer Erkrankungen wie beispielsweise Krebs. Bisher wird die Herstellung dieser ATMPs zum größten Teil manuell abgewickelt. Sie ist zeitaufwendig und sehr kostenintensiv und kann derzeit nur für eine begrenzte Zahl an Patientinnen und Patienten produziert werden. Dies limitiert die Verfügbarkeit innovativer Therapeutika für dringend darauf angewiesene Patienten bislang noch stark.

Parallel dazu hat sich gerade auch bei der aktuellen COVID-19-Pandemie erneut gezeigt, welche enormen Herausforderungen im Kontext der Entwicklung und nachfolgenden Herstellung spezifischer Impfstoffe bestehen, um damit auf neuartige Bedrohungslagen zu reagieren.

Das Fraunhofer-Innovationscluster »Produktion für Intelligente Medizin« setzt hier an und verbindet das biologische und medizinische Know-how der Institute in der Herstellung von Zell- und Gentherapeutika sowie von Impfstoffen mit der Expertise in Automatisierungstechnologien und der autonomen Steuerung industrieller Prozesse.

Unter Federführung der Fraunhofer-Institute für Zelltherapie und Immunologie IZI, Experimentelles Software Engineering IESE, Produktions- und Automatisierung IPA, Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME sowie Arbeitswirtschaft und Organisation IAO wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Automatisierungstechnologien in die medizinische Forschung und Anwendung im Herstellungsbereich überführen. Ziel des Vorhabens in seiner ersten Phase ist die Entwicklung innovativer Konzepte für digitale, KI-gestützte, Roboter-assistierte und automatische Herstellung von Arzneimitteln wie Zell- und Gentherapeutika sowie Impfstoffen.

Immer passgenauere individualisierte therapeutische Strategien lassen auf einen höheren Behandlungserfolg beispielsweise in der Krebsmedizin hoffen. Ziel dieses Fraunhofer-Innovationsvorhaben ist es daher, die Verfügbarkeit und Qualität von modernen individualisierten Krebs- und Immuntherapien sowie von Impfstoffen dem Bedarf entsprechend zu erhöhen. Automatisierungstechnologien können zudem zu einer enormen Senkung der Herstellungskosten beitragen und damit auch für eine deutliche Entlastung des Gesundheitssystems sorgen.

Das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME führt Forschungen auf dem Gebiet der angewandten Lebenswissenschaften, vom Molekül bis zum Organismus, in den Bereichen Pharmazie, Medizin, Biologie und Chemie durch. Eine Hauptaufgabe des Instituts ist die Entwicklung und Anwendung neuartiger Technologien zur Diagnose und Therapie von Krankheiten. Am Fraunhofer Innovationscluster sind die Fraunhofer IME-Standorte Hamburg, Frankfurt am Main und Aachen beteiligt, welche ihre Expertise bei der Proteinproduktion für Nährmedien, der Kultivierung therapeutischer Stammzellen und Makrophagen sowie deren Qualitätskontrolle, der präklinischen Entwicklung von Therapeutika und der Automatisierung dieser Prozesse einbringen. Die Biologen, Biotechnologen und Mediziner des Fraunhofer IME greifen dabei auf erfolgreiche Vorarbeiten in deutschen und europäischen Fördervorhaben und Industrieprojekten zurück[1], wie etwa bei der Etablierung von Protokollen zur Differenzierung von Stammzellen, der automatisierten und Hochdurchsatz-kompatiblen Generierung von homogenen 3D-Stammzellpräparationen, der rekombinanten Herstellung von Wachstumsfaktoren sowie der Durchführung von klinischen Studien.

Prof. Dr. Dr. Gerd Geisslinger, der geschäftsführende Institutsleiter des Fraunhofer IME und Sprecher des Fraunhofer Verbunds Life Sciences ist sich sicher: »Dieses Vorhaben wird einen direkten Beitrag für innovative Produktionsverfahren leisten, um breite Bevölkerungsschichten mit individualisierten Therapieangeboten im Sinne einer kostenintelligenten Medizin versorgen zu können. Nicht zuletzt wird mit diesem Projekt auch der Produktionsstandort Deutschland gestärkt.«

 

[1]

Witt G et al. An automated and high-throughput-screening compatible pluripotent stem cell-based test platform for developmental and reproductive toxicity assessment of small molecule compounds. Cell Biology and Toxicology Jun 20 (2020). doi: 10.1007/s10565-020-09538-0

Kikuchi-Taura A et al. Bone Marrow Mononuclear Cells Activate Angiogenesis via Gap Junction-Mediated Cell-Cell Interaction. Stroke Apr;51(4):1279-1289 (2020). doi: 10.1161/STROKEAHA.119.028072

Schwedhelm I et al. Automated real-time monitoring of human pluripotent stem cell aggregation in stirred tank reactors. Scientific Reports 9(1):12297 (2019). doi: 10.1038/s41598-019-48814-w

Tandon R et al. Generation of two human isogenic iPSC lines from fetal dermal fibroblasts. Stem Cell Research 33:120-124 (2018). doi: 10.1016/j.scr.2018.10.004

De Sousa PA et al. Rapid establishment of the European Bank for induced Pluripotent Stem Cells (EBiSC) - the Hot Start experience. Stem Cell Research 20:105-114 (2017). doi: 10.1016/j.scr.2017.03.002

 

Partner

  • Fraunhofer Institute for Cell Therapy and Immunology IZI
  • Fraunhofer Institute for Experimental Software Engineering IESE
  • Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA
  • Fraunhofer Institute Molecular Biology and Applied Ecology IME
  • Fraunhofer Institute for Industrial Engineering IAO
  • Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology IPK
  • Fraunhofer Institute for Production Technology IPT
  • Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM
  • Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM
  • Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT
  • Fraunhofer Institute for Cell Therapy and Immunology, Branch Bioanalytics and Bioprocesses IZI-BB
  • Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS
  • Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU
  • Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB
  • Fraunhofer Institute for Factory Operation and Automation IFF
  • Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM
  • Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST
  • Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems IMS
  • Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC
  • Fraunhofer Research Institution for Marine Biotechnology and Cell Technology EMB
  • Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV
  • Fraunhofer Institute for Digital Medicine MEVIS
  • Fraunhofer Institute for Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB
  • Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Dr. Ulrike Köhl (Gesamtprojektleitung)

Dr. Thomas Tradler, MBA (Koordination)