Sind 3D-gedruckte Medikamente die Zukunft der personalisierten Medizin?

Der sogenannte Ansatz der personalisierten Medizin schreitet von Tag zu Tag ein Stück weiter voran und wird mithilfe der 3D-Technologie sein Wachstum erreichen. Einer der Anwendungsbereiche dieser Technologien ist derzeit zweifellos die Medizin, wo sie zur Entwicklung von Prothesen, Implantaten und möglicherweise sogar 3D-Bioprint-Organen eingesetzt werden. Eine große Entwicklung in diesem Bereich ist auch der 3D-Druck von Medikamenten, ein weiterer großer Fortschritt, der uns patientenfreundlichen Medikamenten näher bringt und medizinische Ansätze grundlegend verändern könnte. Heute konzentrieren wir uns auf die Beantwortung einiger wichtiger Fragen rund um die 3D-gedruckte Arzneimittelherstellung: Welche Produktionstechnologien gibt es derzeit? Wo werden heute Arzneimittel gedruckt? Was bedeutet ihre Einführung natürlich für die Pharmaindustrie?

Heutzutage greifen Millionen Menschen täglich auf verschreibungspflichtige Medikamente zurück, um eine Vielzahl von Symptomen zu behandeln. Aufgrund der Massenproduktion von Kapseln und Pillen ist die von uns eingenommene Dosierung oft höher als die empfohlene Dosierung. Das Team von Multiply Labs, dem Hersteller des Medikamentenfilaments, aus dem die 3D-Kapseln hergestellt werden, sagte, dass die Betroffenen dieser Überdosierungen hauptsächlich Kinder und Frauen seien: „Derzeit werden die Medikamente ausschließlich für weiße erwachsene Männer entwickelt, also alle weiblichen Kinder.“ „Man ist dafür anfällig.“ Der eigene Körper wird überfordert“, sagte uns Fred Paretti, der CEO des Startups. Die Erklärung bestätigt die Bedeutung der Entstehung der personalisierten Medizin und betont die Individualität jedes Patienten. Tatsächlich kann eine falsche Dosierung bestimmter Wirkstoffe sogar zum Scheitern einiger Behandlungen führen.

Wenn wir uns die Entwicklung 3D-gedruckter Medikamente genau ansehen, sehen wir eine ermutigende Zukunft. Laut einer Studie von Maximize Market Research wird der weltweite Markt für 3D-gedruckte Arzneimittel im Jahr 2023 einen Wert von 334,3 Millionen US-Dollar haben. Allerdings wird in den nächsten Jahren ein jährliches Wachstum von 8 bis 9 % erwartet, sodass die Marktgröße voraussichtlich 3 % erreichen wird. Es wird erwartet, dass es bis 2030 575,54 Millionen US-Dollar erreichen wird. Diese Schätzungen deuten darauf hin, dass es in diesem Bereich viele Veränderungen gibt, die durch die Forschung und Entwicklung der 3D-Technologie vorangetrieben werden.

Die Ursprünge 3D-gedruckter Medikamente

Im Jahr 2015 kam das erste 3D-gedruckte Medikament auf den Markt: Spritam, eine mittels Pulverbetttechnologie hergestellte Pille zur Behandlung von Epilepsie. Es ist auch das erste Medikament, das von der FDA zugelassen wurde. Diese einzigartige Entwicklung von Aprecia Pharmaceuticals öffnet die Tür zur Entwicklung personalisierter Pillen, die jedem Patienten unterschiedliche Dosierungen bieten können. Heute ist Aprecia einer der Hauptakteure der Branche; das Unternehmen stellt das Medikament weiterhin mithilfe seiner patentierten ZipDose®-Technologie her, die es ermöglicht, dass sich das Medikament in Sekundenschnelle auflöst, was für Menschen mit Schluckbeschwerden von Vorteil ist.

Basierend auf Untersuchungen der National University of Singapore zur Kombination mehrerer Medikamente in derselben Kapsel begann das Startup Multiply Labs 2016 mit der Produktion von Medikamentenfilamenten für den 3D-Druck von Pillen mit programmierter Freisetzung. Obwohl das Startup ursprünglich die Herstellung personalisierter Medikamente zur Behandlung von Krebs plante, konzentrierte es sich aufgrund des Widerstands der Arzneimittelbehörde schließlich auf die Produktion von 3D-gedruckten Nahrungsergänzungsmitteln.

Auch traditionelle Pharmaunternehmen wenden sich neuen Technologien zu. Merck mit Sitz in Darmstadt, eines der ältesten Pharma- und Chemieunternehmen der Welt, hat AMCM 2020, eine Tochtergesellschaft von EOS, mit der Herstellung maßgeschneiderter Medikamente mithilfe der SLS-Technologie beauftragt. Merck sieht im 3D-Druck großes Potenzial für die individuelle Anpassung und schnelle, kostengünstige Produktion solcher Medikamente.

Triastek wurde 2015 gegründet und hat diese Potenziale auch als Hobby entwickelt. Bereits im Jahr 2022 wurde das 3D-gedruckte Herz-Kreislauf-Medikament T20 von der FDA zugelassen und trat in die klinische Forschungs- und Testphase ein. Kürzlich (2024) erhielt auch das Magenretentionsprodukt T22 die Marktzulassung und war damit das erste Produkt seiner Art.

Seit dem Aufkommen von 3D-gedruckten Medikamenten interessieren sich immer mehr Institutionen und Pharmaunternehmen dafür, und heute gibt es eine große Anzahl von Startups und innovativen Unternehmen, die den 3D-Druck zur Entwicklung personalisierter Medikamente nutzen. Dies ist auch auf den technologischen Fortschritt zurückzuführen. Werfen wir also einen Blick darauf, wie diese Medikamente gedruckt werden!

Verwendete 3D-Drucktechnologie

Seit der Einführung des ersten 3D-gedruckten Medikaments im Jahr 2015 hat sich die Entwicklung seiner 3D-Herstellungstechnologie kontinuierlich weiterentwickelt. Durch die Nutzung der bereits bekannten Grundlagen der 3D-Drucktechnologien konnte die Pharmaindustrie diese anpassen und nutzen. Um diese Technologien zu identifizieren, haben wir uns auf die Zusammenarbeit von FabRx verlassen, einem pharmazeutischen Biotech-Spin-out des University College London (UCL), das sich auf den 3D-Druck oraler Dosierungsformen mittels additiver Fertigung spezialisiert hat, und insbesondere auf die Wissenschaftlerin des Unternehmens, Patricija Januskaite.

Fused Material Deposition (FDM)

Das FDM/FFF-Verfahren ist eines der am weitesten verbreiteten Verfahren im pharmazeutischen 3D-Druck. Mit medizinischen Substanzen beladene Filamente können zur Herstellung von Pillen verwendet werden. Eine große Herausforderung bei dieser Technologie besteht darin, die Extrusionstemperatur so anzupassen, dass der Wirkstoff in jeder Pille nicht beeinträchtigt wird. „Das FDM-Verfahren ermöglicht die Herstellung von Kombinationen mehrerer Medikamente (Polypen) sowie von Retard- oder Retardtabletten“, erklärt Patricija.

Neben der Technologie, Filamente mit Medikamenten zu beladen, ist es auch möglich, Medikamentenfilamente zu verwenden, die die enthaltenen Medikamente nicht beeinflussen, wie im Fall der Entwicklung von Multiply Labs, die auch die Herstellung von Kapseln mit kontrollierter Freisetzung ermöglicht: „ Wir können ein sehr dünnwandiges Fach in 3D drucken, das in der Lage ist, das Produkt in etwa 30 Minuten freizusetzen, und dann eine weitere Wand hinzufügen, die in der Lage ist, ein weiteres Medikament in einer Kapsel freizusetzen gleiche Kapsel. Fünf separate Fächer“, fügte Fred hinzu.

Jetzt können komplexe Formulierungen entwickelt werden, die eine schnelle Auflösung pharmazeutischer Materialien ermöglichen. Daher nutzt das Projekt Deglumed 2023 die Extrusionsmethode, um Medikamente für Patienten mit Dysphagie zu entwickeln. Die verwendeten Filamente lösen sich schnell im Mund auf und die Tabletten sind leicht zu schlucken.

Direkte Pulverextrusion

Die Technologie ähnelt der zur Entwicklung von ZipDose®, dem ersten 3D-gedruckten Medikament. Dies wird hauptsächlich zur Herstellung von Arzneimitteln mit hoher Wirkstoffbeladung und hohem Zerfall aufgrund der Porosität des Materials verwendet. Die direkte Pulverextrusion selbst ist von FabRx patentiert. Dabei wird mit einem Einschneckenextruder ein pulverförmiges Material (eine Mischung aus Wirk- und Hilfsstoffen) durch eine Düse extrudiert. Nach Angaben der britischen Pharmaindustrie ist das Medikament in Dosen mit verzögerter oder verzögerter Freisetzung erhältlich.

Stereolithographie (SLA)

Bei der Stereolithographie oder SLA wird eine Wärmequelle zum Aushärten eines flüssigen Photopolymers oder Harzes verwendet. Mit dieser Technologie können Medikamente in Polymernetzwerke integriert werden, um Pillen mit Wirkstoffen herzustellen oder um medizinische Geräte mit verzögerter Freisetzung zu entwickeln. Diese Technologie ist die beste Möglichkeit, verschiedene Medikamente in derselben 3D-Kapsel zu kombinieren.

Selektive Lasersintertechnologie (SLS).

Bei der Herstellung von 3D-Pillen mithilfe der SLS-Technologie werden Wirkstoffe mit bestimmten Copolymeren gemischt und anschließend mithilfe eines Lasers miteinander verschmolzen. Mithilfe dieser Technologie können Medikamente mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden: Sie können von kontrolliert freisetzenden bis hin zu orodispersiblen Darreichungsformen reichen. Professor Simon Gaisford, Leiter der Abteilung für Pharmazie am University College London und Mitbegründer von FabRx, erklärt: „Selektives Lasersintern schafft großes Potenzial in der Pharmaindustrie. Es ermöglicht die Herstellung bindemittelfreier Tabletten (wie z. B. „). Tabletten im Binder-Jetting-Verfahren).

Materialstrahldruck

Während diese Technologie an 2D-Druckverfahren erinnert, ähnelt sie auch der Pulverbindungstechnologie. Bei der pharmazeutischen Herstellung wird eine Kombination aus Wirkstoff und Hilfsstoff oder Tinte durch eine Düse auf eine Druckplatte geschleudert. Anschließend werden sie mit einer pulverförmigen Matrix verfestigt, die anschließend zerkleinert wird. Im Jahr 2019 entwickelten Forscher der University of East Anglia ein Heißschmelztröpfchen-3D-Druckverfahren mit Materialstrahlverfahren, bei dem Tröpfchen von einem Extruder abgelagert werden, der mit einer Düse ausgestattet ist, die von einem piezoelektrischen System gepulst und gesteuert wird. In diesem Jahr (2024) hat eine weitere materialstrahlbasierte Technologie Aufmerksamkeit erregt, nämlich der Multi-Material-Inkjet-3D-Druck (MM-IJ3DP), der vom Centre for Additive Manufacturing der University of Nottingham entwickelt wurde. Die lösliche Polymertinte (PolyACMO) verfestigt sich unter Einwirkung von UV-Licht und bildet eine wasserlösliche Wirkstoffmatrix innerhalb der Tablette.

Zusätzlich zu den oben genannten Technologien gibt es einige Variationen einiger davon, und viele Pharmaunternehmen entwickeln ihre eigenen Technologien oder verbessern bestehende Technologien. Immer mehr junge Unternehmen wagen sich an dieses Vorhaben, etwa das französische Startup MB Therapeutics.

Vorteile und Herausforderungen

Die Vorteile des 3D-Drucks von Medikamenten sind vielfältig, wobei das Hauptziel darin besteht, eine personalisierte medizinische Versorgung zu erhalten. Zum einen können Farbe, Geschmack und Textur von 3D-gedruckten Pillen so angepasst werden, dass die Einnahme nicht mehr mit negativen Erfahrungen verbunden ist. Dies betrifft insbesondere Kinder und Menschen mit Schluckbeschwerden. Durch die Gestaltung von Pillen im 3D-Druck und die Verwendung von leicht zu schluckenden Materialien kann die Medikamenteneinnahme aktiv verbessert werden. Andererseits liegen seine Vorteile auch in der Flexibilität der Wirkungsweise und der Freisetzung der Wirkstoffe. Typischerweise besteht das Ziel von 3D-gedruckten Tabletten darin, den Wirkstoff zu einem bestimmten Zeitpunkt oder sogar mehrmals freizusetzen, um einen konstanten Wirkstoffspiegel aufrechtzuerhalten. Betroffene Menschen erhalten dann eine kontinuierliche Versorgung, auch wenn sie nur eine Tablette pro Tag schlucken müssen. Medikamente können auch verschiedene Wirkstoffe kombinieren. Dies trägt zur Bekämpfung der Polypharmazie bei, einem Problem, das damit verbunden ist, dass für jeden Wirkstoff eine Tablette eingenommen werden muss.

Allerdings blieben viele Herausforderungen bestehen und das Projekt scheiterte daran. Manchmal sind diese technischer Natur, etwa bestimmte Wirkstoffe, die beim Druckvorgang nicht freigesetzt werden können. Vorschriften sind eine größere Hürde. Grundsätzlich unterliegen Arzneimittel dem Arzneimittelgesetz und seinen strengen Regeln. Jede einzeln bedruckte Pille stellt für die Arzneimittelbehörde ein Problem dar, da es sich um ein separates Arzneimittel handelt, das auch getestet werden muss. Dies führt zu endlosen Versuchen und verlangsamt die Forschung.

Wie sieht die Zukunft 3D-gedruckter Medikamente aus?

3D-gedruckte Medikamente sind keine Neuheit mehr auf dem Markt und das letzte Jahrzehnt hat einen wichtigen Grundstein für zukünftige Innovationen in diesem Bereich gelegt. Die genannten Daten zum 3D-gedruckten Pharmamarkt verdeutlichen diesen Trend. In den nächsten Jahren werden immer mehr 3D-gedruckte Medikamente den Pharmamarkt erobern und für klinische Studien zugelassen werden. Während die Forschung an der Entwicklung immer personalisierterer Methoden zur Herstellung von Medikamenten arbeitet und die 3D-Technologie Fortschritte in dieser Richtung macht, besteht die Herausforderung nun darin, die Einführung von 3D-gedruckten Medikamenten zu beschleunigen. Damit könnte der Traum von der personalisierten Medizin Wirklichkeit werden. „In zehn Jahren wird kein Patient mehr dasselbe bekommen wollen wie eine weitere Million Menschen. Kein Arzt wird zwei Patienten das gleiche Medikament verschreiben“, schlussfolgerte Fred Paretti von Multiply Labs.