Bessere Gentherapie durch automatisierte Zellpartikel-Produktion

Interview mit Lena Felser, wissenschaftliche Mitarbeiterin Bio-Adaptive Produktion, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Die automatisierte Herstellung von therapeutisch einsetzbaren extrazellulären Vesikeln (EVs) könnte die Zukunft der Zell- und Gentherapie verändern. Im Forschungsprojekt "RauPE" arbeiten Expertinnen und Experten des Fraunhofer IPT, des Start-Ups BioThrust und dem Universitätsklinikum Essen daran, innovative Technologien für die kostengünstige und skalierbare Produktion dieser vielversprechenden biologischen Produkte zu entwickeln.

Lena Felser erläutert im Interview mit MEDICA.de Herausforderungen und Ziele dieses Projekts.

Frau Felser, wie kam es zur Idee für das Projekt RauPE?

Lena Felser: Wir haben bereits an anderen Projekten im Bereich Laborautomatisierung für Zell- und Gentherapie gearbeitet, etwa im Projekt AutoCRAT. Dabei haben wir festgestellt, dass mesenchymale Stammzellen großes Potenzial haben, insbesondere bei der Behandlung von degenerativen Erkrankungen wie Osteoarthritis. Später wurde entdeckt, dass die von diesen Zellen freigesetzten extrazellulären Vesikel (EV) ebenfalls therapeutisch vorteilhaft sind. Das war eine der zentralen Motivationen, dieses Projekt zu starten. Gleichzeitig standen wir vor Herausforderungen wie hohen Produktionskosten und der Schwierigkeit, ausreichend EVs in gleichbleibender Qualität zu gewinnen.

Was sind die größten technischen Hürden bei der Herstellung von EVs?

Lena Felser: Ein großes Problem ist die Kultivierungsform. Mesenchymale Stammzellen wachsen normalerweise adhärent, das heißt, sie haften an einer Oberfläche, was die Skalierung schwierig macht. Um dieses Problem zu lösen, werden die Zellen auf sogenannten Microcarriern, kleinen Plastikkügelchen in Bioreaktoren kultiviert. Doch herkömmliche Bioreaktoren erzeugen durch ihre Rührbewegungen und die Sauerstoffzufuhr Luftblasen und Scherkräfte, die die empfindlichen Zellen schädigen können. Dazu kommt die natürliche Heterogenität der Zellen, die es schwierig macht, eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen.

Wie adressiert das Projekt diese Herausforderungen?

Lena Felser: Wir setzen auf den Membranrührer-Bioreaktor unseres Partners BioThrust. Dieser ermöglicht eine blasenfreie Sauerstoffzufuhr und vermeidet Scherkräfte. Das macht die Kultivierung schonender und ermöglicht größere Volumina. Zudem arbeiten wir mit dem Universitätsklinikum Essen zusammen, das eine klonale, immortalisierte Zelllinie entwickelt hat. Diese Zelllinie eliminiert die natürliche Heterogenität und sorgt für konsistente Ergebnisse. Kombinieren möchten wir diese Lösungsansätze mit unserer Expertise der Laborautomatisierung am Fraunhofer IPT.

Was sind die konkreten Ziele des Projekts?

Lena Felser: Der Name RauPE steht für „Robuste, automatisierte Produktion therapeutisch einsetzbarer extrazellulärer Vesikel“. Wir wollen die Herstellung skalierbar und robust gestalten, sodass am Ende immer eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet ist. Dazu arbeiten wir an einer voll-automatisierten Plattform, der AUTOSTEM. Durch die Automatisierung der Prozesse kann nicht nur der Durchsatz erhöht werden, sondern auch die Produktionskosten gesenkt werden und allem voran die Prozessreproduzierbarkeit und somit die Produktqualität erhöht werden. Mit unserem Ansatz hoffen wir, EVs für ein breites therapeutisches Spektrum nutzbar zu machen.

Wie testen Sie die neuen Technologien?

Lena Felser: Derzeit testen wir unsere Prozesse mit Wasser, das sind sogenannte abiotische Versuche. Dabei simulieren wir die eigentlichen Schritte, die später mit Zellen und Kulturmedium durchgeführt werden. So stellen wir sicher, dass die Automatisierung fehlerfrei funktioniert, bevor wir wertvolle Materialien einsetzen. Im Anschluss werden die mesenchymalen Stammzellen kultiviert und der Erfolg des Prozesses mittels Qualitätskontrollen überprüft.

Welche Anwendungsmöglichkeiten sehen Sie für die extrazellulären Vesikel?

Lena Felser: Die Vesikel haben ein unglaublich breites therapeutisches Potenzial, etwa in der Behandlung degenerativer, entzündlicher Erkrankungen oder gegen Krebs. Im Projekt konzentrieren wir uns zunächst auf mesenchymale Stammzellen als Ausgangspunkt, aufgrund ihrer immunregulatorischen Wirkung. Langfristig könnten aber EVs, die von anderen Zelltypen sekretiert werden, genutzt werden, um spezifische Therapien zu entwickeln.

Wie sieht der Zeitplan des Projekts aus?

Lena Felser: Das Projekt läuft drei Jahre und hat im Juli 2024 begonnen. Im nächsten Jahr wollen wir mit der Zellenkultivierung starten und die ersten EVs zur Analyse an das Universitätsklinikum Essen liefern. Dort werden dann Methoden zur Charakterisierung der EVs entwickelt. Wir sind optimistisch, dass wir bis zum Projektende wichtige Fortschritte in der robusten, automatisierten EV-Produktion erzielen können.