Pharmazeutika aus dem 3D-Drucker

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Von additiv gefertigten Orphan-Drugs über Poly-Pillen bis zur gedruckten Mini-Pharmafabrik: 3D-Druckverfahren eröffnen neue Wege bei der Produktion von medizinischen Wirkstoffen und Medikamenten.

Herkömmliche Methoden der Medikamentenherstellung sind aufwendig und kostenintensiv. Die meisten Tabletten und Kapseln werden in Großanlagen synthetisiert und in die ganze Welt verschifft. Als Massenprodukte mit festen Dosierungen und Freisetzungsprofilen sind Pharmazeutika meist nicht auf den individuellen Bedarf des einzelnen Menschen ausgerichtet.

Zu den Folgen gehören Nebenwirkungen. Viele Arzneien werden so gar nicht erst eingenommen, sondern landen in der Mülltonne. Spezialmedikamente für seltene Krankheiten werden in Kleinstmengen manuell im Labor gefertigt und sind entsprechend teuer. In entlegenen Regionen ist es schwierig, überhaupt an Arzneimittel zu gelangen.

Neue 3D-Druckverfahren erlauben die Produktion maßgeschneiderter Arzneimittel genau dann, wenn man sie braucht und direkt dort, wo sie benötigt werden.

Erste 3D-gedruckte Pillen bereits im Handel

Mehrere gedruckte Pharmazeutika sind bereits auf dem Markt. So ließ die US-Arzneimittelbehörde FDA 2016 das Epilepsie-Medikament Spritam von Aprecia Pharmaceuticals – es enthält den Wirkstoff Levetiracetam – als weltweit erste Tablette aus dem 3D-Drucker zu. Die angewandte ZipDose-Technologie basiert auf einem Druckverfahren, das vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt wurde:

Ein 3D-Drucker trägt wirkstoffhaltiges Pulver Schicht für Schicht auf. Anschließend werden die Lagen mit einer wässrigen Lösung zusammengeklebt. Das Ergebnis ist eine poröse, wasserlösliche Tablette. Die Vorteile für den Patienten: Die Dosierung lässt sich individuell wählen. Zudem können die kleinen, leicht schluckbaren Tabletten sehr hohe Wirkstoffdosen bis 1.000 mg enthalten. Künftig will Aprecia gemeinsam mit dem englischen Pharmaunternehmen Cycle Pharmaceuticals auch Orphan Drugs für den 3D-Druck aufarbeiten. Orphan Drugs sind Spezialmedikamente für die Behandlung seltener Krankheiten, die aufgrund des kleinen Marktes für die herkömmliche Fertigung wirtschaftlich unattraktiv sind.

Die europäische Arzneimittelagentur hat grünes Licht für das 3D-gedruckte HIV-Medikament Prezista mit dem Wirkstoff Darunavir gegeben.

Komplette Pharmafabrik aus dem 3D-Drucker

Wissenschaftler der University of Glasgow gehen noch einen Schritt weiter. Das Team um Philip J. Kitson und Leroy Cronin druckte eine komplette Miniatur-Pharmafabrik aus Plastik, die vollautomatisch medizinische Wirkstoffe herstellt. Zunächst übersetzt eine Software die chemische Synthese des Medikaments in einen Schritt-für-Schritt-Arbeitsprozess und liefert eine detaillierte Druckanleitung für die Wirkstofffabrik.

Aus dem 3D-Drucker – es wurde das Modell Ultimaker 2 verwendet – kommt eine nur wenige Zentimeter große modulare Anlage, die aus mehreren komplex geformten Reaktionskammern besteht. Sie beinhalten Mischanlagen, Kessel, Druckbehälter und Kühlkreise und sind mit Filtern, Zu- und Abflüssen ausgestattet. In diesem Minireaktor finden dann nach und nach eigenständig alle nötigen chemischen Reaktionsschritte statt bis am Ende der fertige Wirkstoff herauskommt. Mit dem Verfahren wurde bereits das Muskelrelaxantium Baclofen, das Antiepileptikum Lamotrigin und der magenschützende Wirkstoff Zolimidin gedruckt. Als Filament kam dabei Polypropylen zum Einsatz. Glas würde sich aufgrund seiner inerten Eigenschaften als Werkstoff besser eignen, das technische Know-How für Glasdruck fehlt aber noch.

Künftig könnte man mit dem 3D-Drucker auf diese Weise ad hoc Laboranlagen anfertigen, die eine flexible Herstellung individualisierter Medikamente ermöglichen. So wären zum Beispiel Krankenhäuser und Arztpraxen in der Lage, ihren Arzneibedarf selbst zu decken. Anleitungen für die Herstellung von Wirkstoffen ließen sich als Downloads zur Verfügung stellen. Eine Kehrseite hat die Sache allerdings: Wahrscheinlich würden im Internet auch schnell Druckanleitungen für Drogenküchen kursieren.

Eine für Alles: die additive Poly-Pille

Die additive Fertigung von Medikamenten – die Produktion Schicht für Schicht – eignet sich insbesondere auch für die Herstellung von Poly-Pillen, die mehrere Wirkstoffe in einer einzigen Tablette kombinieren. Das US-Unternehmen Vitae Industries entwickelt einen Wirkstoffdrucker namens Auto Compounder, der solche Poly-Pillen laut Hersteller drei Mal schneller befüllen können soll als herkömmliche Verfahren.

Durch die Kontrolle des Freisetzungsprofils lässt sich die Effizienz pharmazeutischer Produkte deutlich verbessern. Forscher der National University of Singapore produzieren per 3D-Druck All-in-One Pillen, die verschiedene Medikamente in individualisierbaren Dosen zeitversetzt an den Patienten abgeben. Der Arzt gibt dazu an einem Computer ein, welche Präparate sein Patient wie oft und in welchen Dosierungen einnehmen soll.

Auf Basis dieser Informationen wird ein Pillenmodell mit Ausbuchtungen errechnet, in denen später die Wirkstoffe platziert werden. Die Pille wird aus Polymer gedruckt, mit den zuvor festgelegten Medizinmengen befüllt und schließlich mit einer Außenschicht aus Polymer überzogen. Im Körper des Patienten löst sich die Außenschicht langsam auf und gibt – abhängig von der Größe und Form der Ausbuchtungen – nach und nach die Medikamente frei.

Schluss mit bitteren Pillen

Den Individualisierungsmöglichkeiten beim Druck von Pharmazeutika sind keine Grenzen gesetzt. Das Londoner Biotech-Unternehmen FabRx etwa stellt 3D-gedruckte Tabletten her, die in vielerlei Hinsicht dem Bedarf und den Vorlieben des Konsumenten angepasst werden können.

So ist es nicht nur möglich, mehrere Medikamente in individuellen Dosierungen in einer Tablette zu integrieren und genau einzustellen, ob die Freisetzung der Wirkstoffe im Körper des Patienten sofort, mit Verzögerung oder kontinuierlich über einen längeren Zeitraum stattfinden soll. Auch Größe, Form, Farbe, Textur und Geschmack der Pille lassen sich nach Wunsch modifizieren. Das soll die Medikamenteneinnahme – insbesondere Kindern und Senioren – unterstützen. Ein weiteres Plus personalisierbarer Pharmazeutika kann die Reduktion von Nebenwirkungen sein.

Parkinson-Medikament aus dem UV-Inkjet-3D-Drucker

Forscher der University of Nottingham und das Pharmaunternehmen GlaxoSmithKline nutzen eine Kombination aus Inkjet-Druck und UV-Härtung, um Medikamente herzustellen. In einer Studie wurde mit Spezialtinten Ropinirol HCl für die Behandlung der Parkinson-Krankheit und des Restless-Legs-Syndroms gedruckt. Dabei kam der Dimatix-Material-Drucker DMP-2850 zum Einsatz. Um den Sauerstoffgehalt zu kontrollieren, der für die Steuerung der Photopolymerisation wichtig ist, wurde eine Handschuhbox installiert. Unter dem Druckkopf wurde eine LED-UV-Lampe montiert. Die Druckzeit für einen Tablette mit 5 mm Durchmesser beträgt etwa vier Minuten.

DNA-Synthese per 3D-Drucker

Auch beim Test von Medikamenten könnten 3D-Drucker künftig eine Rolle spielen. Um Chemikalien und Medikamente zu testen, sind in vielen Fällen maßgefertigte Gene erforderlich. Dafür braucht man Milliarden Kopien von DNA-Sequenzen. Das aktuelle Verfahren der DNA-Synthese ist jedoch kompliziert, zeitaufwendig und kostenintensiv.

Außerdem werden beim Herstellungsprozess giftige Chemikalien verwendet. Das könnte sich bald ändern. Das Lawrence Berkeley National Lab und die Technischen Universität Darmstadt arbeiten an der DNA-Synthese per 3D-Drucker. Das Verfahren soll schneller und präziser sein als die herkömmliche Methode und die Herstellung 10-mal längerer Stränge ermöglichen. Zudem sind keine giftigen Chemikalien erforderlich.

Bye bye, Apotheke?

Dass Eltern ihren Sprösslingen zeitnah Zuhause dinosaurierförmige Antibiotika mit Waldmeistergeschmack ausdrucken werden, ist eher unwahrscheinlich. Innovative 3D-Druckverfahren machen jedoch Hoffnung, dass es künftig möglich sein wird, in Krankenhäusern, Arztpraxen und Apotheken maßgeschneiderte Medikamente in individuellen Dosen additiv zu fertigen.

So könnte man auch schnell auf Epidemien reagieren und isolierte Regionen versorgen. Technisch möglich ist das bereits. Um die Qualität der Medikamente aus dem 3D-Drucker weltweit sicherzustellen, gilt es jedoch erst einmal, neue rechtliche Rahmen für Zulassungsverfahren und Qualitätskontrollen zu schaffen. Die Regulierungsbehörden müssen sich auf 3D-Druck als neue Methode der Medikamentenherstellung erst noch einstellen.

Der 3D-Druck von Medikamenten könnte ein Teil der digitalen Transformation des Gesundheitswesens werden, der ganze Wertschöpfungsketten verändern wird. Für die Pharmaindustrie bieten additive Verfahren zahlreiche Chancen. Klar ist aber: Sie wird sich alternative Geschäftsmodelle einfallen lassen müssen. So könnten Pharmaproduzenten etwa zu Technologieherstellern werden.

electronica 2018

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www.electronica.de

Spritam von Aprecia Pharmaceuticals