KMU-innovativ Erarbeitung einer Entwicklungs- und Produktionsplattform für Lipid-basierte Nanopartikel zur hoch flexiblen Herstellung von rekombinanten Proteinen in eukaryotischen Zellen (NanoTransfekt)

Problemstellung
In der Medizin und Diagnostik sind biotechnologisch hergestellte Proteine aus Zellkultur von immenser Bedeutung. Für die großtechnische Produktion von rekombinanten Proteinen werden Zellen genetisch verändert. Hierfür erfolgt die Übertragung der genetischen Information in die Zelle mithilfe sogenannter Transfektionsverfahren. Allerdings sind die derzeit angewandten Methoden aufwändig, ineffizient und können die Zellen schädigen. Eine mögliche Lösung hat die Impfstoffentwicklung zur Begegnung der Corona-Pandemie eröffnet. Basis der neuartigen „mRNA-Impfstoffe“ sind Lipid-Nano-Partikel (LNP), also Fetttröpfchen, welche den genetischen Bauplan für das sogenannte Spike-Protein des Corona-Virus enthalten. Nach der Impfung dringen diese Partikel in menschliche Zellen ein, wodurch diese das „Spike-Protein“ produzieren und es zur Immunreaktion kommt. Die LNP-Technik stellt für biotechnologische Prozesse der Zukunft eine vielversprechende und kosteneffiziente Methode zur Produktion komplexer Proteine in großem Maßstab dar. Für die Transfektion von Zellkulturen im Bioreaktor braucht es dazu geeignete LNP-Formulierungen und Verfahren zur Herstellung in ausreichender Menge.

Zielsetzung
Ziel des Forschungsprojekts NanoTranfekt ist die prototypische Erforschung einer flexiblen und kosteneffektiven Fertigungstechnologie für rekombinante Proteine. Dazu sind maßgeschneiderte LNP-Formulierungen für die Bio- und Medizintechnik zu entwickeln sowie ein mikrofluidisches Gerät zu ihrer Herstellung in ausreichender Menge.

Vorgehensweise
Zunächst wird ein mikrofluidisches Betriebsgerät, bestehend aus Mikromischern, Pumpen, Steuerung und Analytik, erarbeitet. Die Optimierung des Geräts wird durch Strömungssimulationen begleitet. Parallel dazu wird die Herstellung von ringförmigen, doppelsträngigen DNA-Molekülen in Lipid-Nano-Partikeln zur Transfektion von Zellen im Mikromischer untersucht. Ziel sind maßgeschneiderte Lipidformulierungen mit hoher Transfektionseffizienz. Die produzierten LNP werden physikalisch charakterisiert und ihre biologische Aktivität überprüft. Dazu ist die Effizienz der LNP bei der Transfektion von Zelllinien anhand einer Modellproteinherstellung im kleinen Maßstab zu testen. Zur Hochskalierung des Prozesses werden Zellen im Bioreaktor (10-40 L) mit den entwickelten LNP transfiziert und so die Produktion eines Modellproteins im größeren Maßstab untersucht. Zur reproduzierbaren Qualitätssicherung erfolgt die Charakterisierung des so gewonnenen Proteins mittels etablierter proteinanalytischer und immunologischer Verfahren.

Ergebnisse und Anwendungspotential
Bei erfolgreicher Umsetzung des Projekts wird eine Plattform, bestehend aus mikrofluidischem Betriebsgerät und maßgeschneiderten LNP-Formulierungen, zur Verfügung stehen, die es ermöglicht, rekombinante Proteine in bisher nicht erreichbarer Flexibilität und Kosteneffizienz herzustellen. Diese Plattform kann in verschiedenen Bereichen der Bio- oder Medizintechnik eingesetzt werden, um z. B. neuartige Antikörper für die Krebstherapie zu entwickeln. Weiterhin eröffnen sich Möglichkeiten für die Entwicklung zellbasierter Testsysteme für die zukünftige Medikamentenforschung. In der Regel ist damit ein Protein gemeint, das infolge der genetischen Manipulation eines Organismus hergestellt wird.

• Institut Virion-Serion GmbH Würzburg
• Microfluidic ChipShop GmbH
• Steinbeis Innovation gGmbH
• Technische Universität Hamburg