Kassettenkonzept Automatisierte Zelltherapie in modularen Minifabriken

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CAR-T-Zelltherapien gelten als vielversprechender Ansatz in der Krebsbehandlung, sind aber bislang aufwendig und teuer. Ein automatisiertes Kassettenkonzept soll zentrale Prozessschritte dezentral, reproduzierbar und mit weniger Fachpersonal ermöglichen.

Krebs bleibt eine der großen medizinischen Herausforderungen. Ein Grund dafür ist die biologische Vielfalt von Tumorerkrankungen: Eine Behandlung, die bei einem Patienten gut wirkt, kann bei einem anderen nur begrenzten Erfolg zeigen. Genau hier setzen individualisierte Zelltherapien an. Bei der CAR-T-Zelltherapie werden dem Patienten körpereigene T-Zellen entnommen, außerhalb des Körpers genetisch verändert, vermehrt und anschließend zurückgegeben. Die modifizierten Immunzellen erhalten einen sogenannten CAR (Chimären Antigen Rezeptor). Damit können sie nun für die Krebsart spezifische Oberflächenstrukturen erkennen und so den Krebs bekämpfen.

Der therapeutische Ansatz ist hochspezifisch und kann für bestimmte Krankheitsbilder (z. B. Leukämie oder Lymphome) erhebliche Vorteile bieten. Gleichzeitig stellt er die Herstellung vor besondere Anforderungen. Jede Therapie ist patientenindividuell, die Prozesskette muss steril, sicher und nachvollziehbar bleiben, und viele Arbeitsschritte sind heute noch stark manuell geprägt. Das begrenzt die Verfügbarkeit, erhöht die Kosten und erschwert eine breite Anwendung in der klinischen Praxis.

Vom zentralen Speziallabor zur dezentralen Minifabrik

Ein möglicher Weg, CAR-T-Zelltherapien schneller und zugänglicher zu machen, sind kleine, modulare Produktionssysteme in der Nähe der klinischen Anwendung. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat ein Automatisierungskonzept für die modulare Produktion von Zell- und Gentherapien erarbeitet, einen ersten Prototyp zur genetischen Modifikation von Zellen umgesetzt und diesen mit den Technologien von Festo weiterentwickelt. Solche Systeme könnten beispielsweise an Universitätskliniken betrieben werden und zentrale Prozessschritte weitgehend automatisiert ausführen.

Im Mittelpunkt steht eine Kassette, die pro Patient und Prozessschritt eingesetzt wird. Die Zellen durchlaufen darin die erforderlichen Behandlungen in einem geschlossenen Fluidsystem. Die Kassette selbst enthält passive Elemente, die erst durch das jeweilige Modul der Minifabrik von außen betrieben werden. Damit lassen sich sterile Einweg-Bereiche und wiederverwendbare Automatisierungstechnik funktional trennen.

Die Kassette für die Zellmodifikation

Der hier betrachtete Prozessschritt ist die Modifikation der T-Zellen. In einer Zellkulturkammer werden die T-Zellen kultiviert und das genetische Material für den chimären Antigenrezeptor mithilfe von Viren in die Zellen eingebracht. Dadurch entstehen CAR-T-Zellen, die später spezifische Zielstrukturen auf Krebszellen erkennen sollen.

Für diesen Schritt müssen mehrere Medien kontrolliert zugeführt, gemischt und temperiert werden. Die Kassette umfasst u. a. eine Zellkulturkammer, einen Inkubator zur Erwärmung auf Zieltemperatur, einen Kühl- und Gefrierbereich für benötigte Medien wie Viren oder Pufferlösungen sowie einen Port zur Probennahme. Entscheidend ist, dass alle Medienwege innerhalb der Kassette präzise geführt werden und kontaminationskritische Bereiche geschlossen bleiben.

Präziser Flüssigkeitstransport auf engem Raum

Die Fluidführung übernimmt ein Diffusion-Bonded-Manifold von Festo (siehe Abb. 1 und Abb. 2). Dabei handelt es sich um eine kompakte Verteilerplatte mit mehrkanaligen Strukturen, die alle relevanten Bereiche der Kassette miteinander verbindet. In das Manifold sind Ventile integriert, die von außen über Steuerluft geschaltet werden. So können Verbindungen zwischen einzelnen Funktionsbereichen hergestellt oder getrennt werden, ohne dass die sterile Prozessumgebung geöffnet werden muss.

Der Flüssigkeitstransport erfolgt über Schieben und Ziehen mit Druckluft beziehungsweise Vakuum. Anschaulich lässt sich das Prinzip mit einer Rohrpost vergleichen: Nicht ein mechanischer Förderer bewegt das Medium, sondern gezielt aufgebaute Druck- und Unterdruckverhältnisse treiben es durch definierte Kanäle. Anders als bei der klassischen Rohrpost werden hier jedoch keine Kapseln transportiert, sondern kleinste Flüssigkeitsvolumina kontrolliert dosiert, verteilt und wieder zurückgeführt. Durch intelligente Regelungsalgorithmen lassen sich auch kleine Flüssigkeitsmengen dosieren und innerhalb der Kassette bewegen. Für die Anwendung ist das besonders relevant, weil die verfügbare Baugröße begrenzt ist und gleichzeitig hohe Anforderungen an Präzision, Sterilität und Prozesssicherheit gelten.

Modularität als Schlüssel zur klinischen Anwendung

Das Konzept verbindet zwei Anforderungen, die in der Zelltherapie häufig im Spannungsfeld stehen: Einerseits muss der patientenindividuelle Prozess flexibel bleiben, andererseits braucht die Herstellung robuste, reproduzierbare Abläufe. Die Kassette bündelt die kontaminationskritischen Flüssigkeitswege, während die Minifabrik die notwendigen Aktoren, Steuerungen und Umgebungsfunktionen bereitstellt. Nach dem Prozess müssen nur die Elemente ausgetauscht werden, die mit Zellen oder Viren in Kontakt waren.

Damit wird ein Produktionsansatz möglich, der nicht auf große zentrale Anlagen beschränkt ist. Dezentrale Systeme könnten perspektivisch Herstellungszeiten verkürzen, Transportwege reduzieren und den Bedarf an hochspezialisiertem Personal senken. Für Kliniken wäre das ein wichtiger Schritt, um personalisierte Therapien näher an den Behandlungsort zu bringen und kostengünstiger umsetzen zu können.

Experimentelle Untersuchungen

Um dieses System zur genetischen Modifikation zu testen, wurde es mit Jurkat-Zellen, einer humanen T-Zelllinie getestet. Die Zellen wurden dazu in der Biokammer ausgesät und mit AAV6 (Adeno-assoziierter Virus - 6) transduziert, d. h. mit dem Virus genetisch modifiziert. Dieser Virus enthält das genetische Material für die Expression von grün-fluoreszierendem Protein (GFP), dadurch kann dann mittels Durchflusszytometrie die Anzahl transduzierter Zellen ermittelt werden. Die Anzahl der GFP-positiven Zellen entspricht der Anzahl der erfolgreich transduzierten Zellen. Als Kontrollen wurden Zellen manuell in der für die Minifabriken entwickelten Biokammer kultiviert und transduziert, sowie in 24-Well-Platten, einem Standardkultivierungsformat. Des Weiteren wurde eine unbehandelte Probe (Negativkontrolle) im 24-Well-Format mitgeführt, um die Kultivierungsbedingungen zu überwachen.

Die Abbildungen 3a und b zeigen die Ergebnisse. Die Transduktionseffizienzen sind sowohl im automatisierten Prozess als auch im manuellen Prozess mit den Standardgefäßen vergleichbar. Jedoch wurde im automatisierten Ansatz eine deutlich geringere Anzahl viabler (lebendiger) Zellen beobachtet. Daraus lässt sich schließen, dass eine Transduktion von Zellen mit den modularen Minifabriken mit dem Diffusion-Bonded-Manifold technisch und biologisch realisierbar ist, der Prozess jedoch zukünftig weiter verfeinert werden muss, um die Viabilität und potenziell die Transduktionseffizienz zu steigern.

Ausblick

Die Automatisierung patientenindividueller Zelltherapien zeigt exemplarisch, wie Life-Science-Automation medizinische Innovationen in Richtung praktischer Anwendbarkeit verschieben kann. Entscheidend ist nicht allein ein einzelnes Bauteil, sondern das Zusammenspiel aus fluidischer Präzision, modularer Systemarchitektur und einfacher Bedienbarkeit. Wenn solche Konzepte weiterentwickelt, ausgebaut und experimentell validiert werden, können sie dazu beitragen, komplexe Zell- und Gentherapien reproduzierbarer, wirtschaftlicher und für mehr Patienten zugänglich zu machen. Um das zu erreichen, wird das Fraunhofer IPA seine modularen Minifabriken weiter aus- und aufbauen, tiefgehend testen und die Prozesse optimieren.