CAR-T-Zelltherapie: Wie KI die Krebsbehandlung skalierbar machen soll
CAR-T-Zellen können Leben retten, sind aber teuer und schwer herzustellen. Fraunhofer-Forschende arbeiten nun daran, die komplexe Therapie mit KI und Automation grundlegend neu zu denken.
Automatisierte Herstellung von CAR-T-Zellen für die Krebsbehandlung: Ein Demonstrator kombiniert Laborgeräte, Bioreaktor und Robotik zur Produktion direkt in der Klinik.
Foto: Fraunhofer IPT
CAR-T-Zelltherapie gilt als Hoffnungsträger in der Krebsmedizin – doch ihr Einsatz ist bislang stark begrenzt. Dabei ist der Bedarf enorm: In Deutschland starben 2024 laut Statistischem Bundesamt 22,4 % der Menschen an Krebs. Neben der Chemotherapie wird auch die CAR-T-Zelltherapie eingesetzt, eine Therapieform, die bei bestimmten Blutkrebsarten Leben retten kann.
Im Vergleich zu anderen Behandlungsmethoden gegen Krebs ist die CAR-T-Zelltherapie jedoch recht jung. Erst seit 2017 ist sie in den USA und seit 2018 in der EU zugelassen. Im Projekt Aidpath („AI powered, Decentralized Production for Advanced Therapies in the Hospital“) haben sich mehrere Institute und Forschungseinrichtungen, darunter das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI), zusammengeschlossen, um die Therapieform zu automatisieren.
Bei der CAR-T-Zelltherapie werden zunächst der Patientin oder dem Patienten die T-Zellen entnommen. Im Labor werden sie genetisch verändert, damit sie in der Lage sind, Krebszellen eigenständig aufzuspüren und zu erkennen. Diese modifizierten T-Zellen werden vermehrt und dann der zu behandelnden Person über eine Infusion zugeführt.
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Hochwirksame Therapie – aber kaum skalierbar
Die Besonderheit der CAR-T-Zelltherapie liegt bei der individuellen Herstellung der Zellen für jede einzelne Person. Die Produktion dauert Wochen und ist hochgradig manuell. Die Folge: Eine Behandlung kostet schnell mehrere Hunderttausend Euro.
Problematisch ist beim aktuellen Stand der CAR-T-Zelltherapie vor allem die aufwendige Herstellung. Anders als klassische Behandlungsmethoden, wie die Chemotherapie, ist CAR-T ein patientenspezifisches Produkt. Für jede einzelne Person wird ein eigenes Medikament hergestellt. Momentan besteht der Herstellungsprozess aus mehreren manuellen Schritten:
- Im behandelnden Krankenhaus werden aus dem Blut der Patientin/des Patienten Immunzellen gewonnen.
- Diese werden an ein Herstellungszentrum geschickt, teilweise quer durch Europa, je nachdem wo sich das nächste qualifizierte Herstellungszentrum befindet.
- In diesem Herstellungszentrum wird dann die CAR-T-Zelltherapie hergestellt und eingefroren.
- Das eingefrorene Produkt wird zurück an das behandelnde Krankenhaus geschickt, wo es appliziert wird.
„Diese Therapie durchläuft mehr als zehn Produktionsschritte, bevor die modifizierten Zellen überhaupt beim Patienten ankommen“, fasst Laura Herbst vom Fraunhofer IPT, zusammen.
Projekt AIDPATH – Was steckt dahinter?
Das EU-geförderte Projekt AIDPATH setzt genau an diesem Engpass an. Der herkömmliche Herstellprozess stellt hohe Anforderungen an Produktionsstätten und Personal und ist für höhere Patientenzahlen nicht umsetzbar. Die Idee ist daher, die CAR-T-Zellen dezentral zu produzieren. Am Fraunhofer IPT entwickeln Forschende gemeinsam mit dem Fraunhofer IZI, sowie Unternehmen und Einrichtungen aus insgesamt sieben Ländern eine Anlage, die CAR-T-Zellen hochautomatisiert herstellt.
„Auf der einen Seite haben wir die Informatiker und Softwareentwickler. Die die Algorithmen entwickelt haben, um den Prozess besser zu monitoren und zu steuern. Auf der anderen Seite haben wir die Automatisierungs-Techniker wie das Fraunhofer IPT und die Kliniken und Biotechnologien, die sich mit der Therapie beschäftigen. AIDPATH ist da wie ein Uhrwerk aus all den verschiedenen Technologien und bringt alles zusammen“, erklärt Laura Herbst vom Fraunhofer IPT.
Automation statt manuelle Kleinstarbeit
Die gesamte Herstellung der CAR-T-Zellen erfolgt innerhalb der Anlage. Ein Prototyp steht bereits seit Herbst 2024 im Universitätsklinikum Würzburg. Nach der Blutentnahme werden die T-Zellen separiert und aktiviert, sodass sie sich vermehren. Sie werden zu CAR-T-Zellen modifiziert, im Bioreaktor vermehrt, geerntet, aufgereinigt, abgefüllt und kontrolliert. Das Endprodukt ist bereits tiefgekühlt und transportfähig. Diese Schritte erfolgen in einer Anlage und benötigen nicht mehr verschiedene Standorte für verschiedene Aufgaben: Der hohe Grad der Automation senkt dabei nicht nur Personalkosten, sondern auch die Fehlerquote.
„Das Stichwort hier ist ein adaptiver Herstellungsprozess. Wir versuchen den Prozess so anzupassen, dass er produktspezifisch ist und wir die optimalen Bedingungen für jedes Zellprodukt finden. Kurz gesagt: Wir ernten die Zellen, sobald die Zieldosis erreicht ist und vermeiden darüber unnötig lange Produktionszeiten, welche häufig eine Verschlechterung der Zellqualität mit sich bringt“, erläutert Katrin Mestermann vom Fraunhofer IZI.
KI und digitale Zwillinge
Neben der automatischen Herstellung der CAR-T-Zellen wird mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI) und Digitalen Zwillingszellen die Produktion geplant. Innerhalb des Projekts sind fünf Anwendungsfälle definiert, die von der KI übernommen werden:
- Ein Softwaresensor gleicht Bioreaktordaten mit erwarteten Ergebnissen ab und kann so Anomalien in der Herstellung entdecken
- Der Digitale Zwilling sagt das Wachstum der Zellen voraus und wird beispielsweise genutzt, um zu bestimmen, wann die Zellen geerntet werden können
- Mithilfe eines automatisierten Koordinators kann im Blick behalten werden, welche Prozesse aktuell auf der Plattform laufen, und wann Geräte für eine weitere Herstellung verfügbar sind.
- Ein weiterer Algorithmus koordiniert alle Abläufe im Krankenhaus, die für die CAR-T-Zelltherapie relevant sind (z.B. wo welcher Arzt gerade ist, etc.)
- Der letzte Algorithmus ist dafür programmiert, vorherzusagen, welche Zellen bei der Patientin oder beim Patienten eine abnormale Abstoßreaktion auslösen würden.
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Viel Potenzial, doch die Biologie ist noch nicht so weit
Noch ist die Anlage kein industrieller Durchbruch. Der Prototyp in Würzburg kann derzeit nur die Therapie für eine Patientin oder einen Patienten gleichzeitig herstellen. Von echter Parallelisierung oder einer flächendeckenden Versorgung ist man damit noch entfernt. Auch befindet sich das Projekt in einer Proof-of-Concept Phase, echte Patientinnen und Patienten wurden damit bisher noch nicht behandelt.
Doch der Ansatz markiert eine strategische Verschiebung: weg von zentralisierten Manufakturen mit komplexer Logistikkette hin zu automatisierten, potenziell dezentral einsetzbaren Produktionssystemen. Ob sich dadurch die Kosten tatsächlich signifikant senken lassen, wird nicht nur eine Frage der Technik sein, sondern auch der regulatorischen Umsetzung und der klinischen Skalierung.
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