»iMacroMAT«: iPSC-abgeleitete Makrophagen zur Maßanfertigung des Pyrogentests

Skalier- und anpassbare Produktion von Makrophagen für die Prüfung parenteraler Arzneistoffe im Monozyten-Aktivierungstest gemäß regulatorischen Anforderungen

Die aktuellen Bestrebungen der EDQM (European Directorate for the Quality of Medicines) und des Modernization Act 2.0 der FDA (Food and Drug Administration) zielen darauf ab, den Einsatz von Tieren oder tierischen Materialien in der Bewertung von Arzneimitteln zu eliminieren und die Entwicklung sowie Nutzung alternativer Testmethoden verpflichtend zu machen. Insbesondere wird der Kaninchen-Pyrogentest in naher Zukunft weltweit aus den Arzneibüchern ausgeschlossen.

Im menschlichen Körper spielen Immunzellen, insbesondere Monozyten und Makrophagen, eine zentrale Rolle bei der Früherkennung von Krankheitserregern und der Vermittlung von Entzündungsreaktionen. Diese essenziellen Funktionen können industriell in die Entwicklung und Prüfung von Arzneimitteln integriert werden, beispielsweise im Monozyten-Aktivierungstest (MAT). Aufgrund verschiedener Nachteile primärer humaner Zellen – wie Verfügbarkeit, Standardisierbarkeit und genetische Variabilität – sind diese für die Sicherheitsbewertung parenteraler Arzneimittel nur bedingt geeignet. Zudem sind Zelllinien aufgrund ihrer nicht-physiologischen Eigenschaften häufig ungeeignet für sicherheitsrelevante Prüfungen.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, bieten wir die Charakterisierung und Skalierung von »Designer-Immunzellen« aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) an. Damit stellen wir eine zuverlässige und effiziente Alternative für die Arzneimittelsicherheitsprüfung bereit, die für individuelle Zwecke maßgeschneidert werden kann.

Unsere Herangehensweise: Die Flexibilität des iPSC-Systems zur Anpassung von Makrophagen nutzen

»iMacroMAT«

Prüfung von Arzneimitteln, Wirkstoffen, Molekülen und Proteinen auf potenzielle Verunreinigungen mit »iMacroMAT« – unter Verwendung menschlicher Makrophagen aus iPSC als zelluläre Grundlage für den MAT.

 

Unser iPSC-basierter Ansatz umfasst:

  • iPSC-Linien von Spendern unterschiedlichen Geschlechts, genetischen Hintergrunds und ethnischer Herkunft
  • Krankheitspezifische iPSC-Linien auf Anfrage

Expertise und Services

Dank unserer umfassenden Expertise und unseres einzigartigen Know-hows in der Herstellung von iPSC-abgeleiteten Makrophagen bieten wir innovative Lösungen zur Optimierung bestehender MAT-Formate und zur Entwicklung maßgeschneiderter Technologien der nächsten Generation.

Wir bieten an

  • Definierte iPSC-Linien mit Zugang zu Material vom selben Spender
  • Stabile und gut charakterisierte genetische Hintergründe von iPSC und abgeleiteten Makrophagen
  • Eine einsatzbereite Makrophagen-Herstellungspipeline - skalierbar und flexibel, für Ihre spezifischen Anforderungen
  • Ein Makrophagen-basiertes Zellprodukt, das völlig neue MAT-Designs in Bezug auf Zellmenge und Analysezeit ermöglicht
  • Tierfreie Herstellung & MAT-Entwicklung
  • Entwicklung von sofort verfügbaren Kryokonservierungsstrategien für die bedarfsgerechte Makrophagenproduktion
  • Gentechnische Ansätze zur Modernisierung des MAT, Verbesserung der Handhabung und Auswertungsmöglichkeit für die automatisierte Sicherheitsbewertung - MAT-on-a-Chip

Produktion und Anwendung von menschlichen Makrophagen aus induzierten pluripotenten Stammzellen

The diagram describes the production of human macrophages from induced pluripotent stem cells (iPSCs)
© Fraunhofer ITEM, created with Biorender

Neue Stammzelltechnologien wie iPSC, die 2012 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet wurden, haben in Kombination mit fortschrittlichen Bioprozessentwicklungen die Schaffung von spenderunabhängigen Immunzellprodukten (z.B. Makrophagen) ermöglicht. Menschliche Makrophagen können jetzt unter kontrollierten Bedingungen und mit skalierbaren Methoden aus iPSC hergestellt werden, die den funktionalen und physiologischen Eigenschaften der Zellen im menschlichen Körper entsprechen.

Diese Schlüsseltechnologie für die standardisierte Produktion menschlicher Makrophagen ermöglicht deren Einsatz zur Erkennung einer breiten Palette von Pyrogenen sowohl aus nicht-endotoxinbasierten (Bakterien, Viren, Pilze, Prozesskontamination) als auch aus endotoxinbasierten (Bakterien) Herkunft. iPSC-Makrophagen können universell an neue Testverfahren angepasst und kosteneffizient in großem Maßstab produziert werden.

Neue Ansätze in der Arzneimittelsicherheit

iPSC-Makrophagen sind ein neues und effizientes Werkzeug für den MAT und dessen weitere Entwicklung. Mit der iMacroMAT-Technologie können wir Ihnen iPSC-Makrophagen-basierte Tests und deren Weiterentwicklung anbieten.

Vorteile der iMacroMAT-Technologie

Tierfrei & menschlichen Ursprungs

  • Vollständig tierfreies Zellprodukt (von der Produktion bis zur Anwendung, kein FCS)
  • Reagiert auf alle humanrelevanten Pyrogene
  • Keine kontinuierliche Spende erforderlich – keine ethischen Bedenken

Hohe Standardisierung

  • Validiertes Immunzellprodukt für spezifische Anwendungen
  • Keine Variabilität durch einheitlichen Spenderhintergrund

Hohe Sensitivität & Geschwindigkeit

  • Empfindlicher ggü. allen Arten von Pyrogenen im Vgl. zu aktuellen Standards
  • Reagiert deutlich schneller und zuverlässiger, Reaktionszeit nur 4-8 Stunden
  • Skalierbare Produktion und großes Potenzial für Plattformtechnologie

iMacro-MAT im Vergleich zum MAT mit konventionellen Zellen

Makrophagen sind die Sensoren im MAT. Unsere iPSC-abgeleiteten Makrophagen (»iMacros«) werden mit Monozyten-abgeleiteten Makrophagen (MDM) und einer Makrophagen-Zelllinie (MM6) verglichen (Abdin et al.).

Ds Diagramm zeigt, dass iMacros morphologisch und funktionell mit Standard-Monozyten vergleichbar sind
© Fraunhofer ITEM, Nico Lachmann
iMacros sind morphologisch und funktionell mit Standard-Monozyten vergleichbar
Das Diagramm zeigt, dass iMacros eine höhere Sensitivität gegenüber endotoxinbasierten Pyrogenen zeigen
© Fraunhofer ITEM, Nico Lachmann
iMacros zeigen eine höhere Sensitivität gegenüber endotoxinbasierten Pyrogenen
Das Diagramm zeigt, dass iMacros eine höhere Sensitivität gegenüber nicht-endotoxinbasierten Pyrogenen zeigen
© Fraunhofer ITEM, Nico Lachmann
iMacros zeigen eine höhere Sensitivität gegenüber nicht-endotoxinbasierten Pyrogenen
Das Diagramm zeigt, dass iMacros schneller auf eine Endotoxin-Stimulation reagieren
© Fraunhofer ITEM, Nico Lachmann
iMacros reagieren schneller auf eine Endotoxin-Stimulation
Das Diagramm zeigt, dass NF-κB-Reporter-iMacros eine Korrelation zwischen IL-6-Sekretion und Lumineszenz nach LPS-Stimulation zeigen
© Fraunhofer ITEM, Nico Lachmann
NF-κB-Reporter-iMacros zeigen eine Korrelation zwischen IL-6-Sekretion und Lumineszenz nach LPS-Stimulation

Relevante Publikationen

Abdin SM, Mansel F, Hashtchin AR, Ackermann M, Hansen G, Becker B, Kick B, Pham N, Dietz H, Schaniel C, Martin U, Spreitzer I, Lachmann N. "Sensor macrophages derived from human induced pluripotent stem cells to assess pyrogenic contaminations in parenteral drugs". Biofabrication. 2024 May 17;16(3). doi: 10.1088/1758-5090/ad4744.

Desai O, Köster M, Kloos D, Lachmann N, Hauser H, Poortinga A, Wirth D. "Ultrasound-triggered drug release in vivo from antibubble-loaded macrophages". J Control Release. 2024 Dec 19:378:365-376. doi: 10.1016/j.jconrel.2024.12.007.

Jacobsen C, Plückebaum N, Ssebyatika G, Beyer S, Mendes-Monteiro L, Wang J, Kropp KA, González-Motos V, Steinbrück L, Ritter B, Rodríguez-González C, Böning H, Nikolouli E, Kinchington PR, Lachmann N, Depledge DP, Krey T, Viejo-Borbolla A. "Viral modulation of type II interferon increases T cell adhesion and virus spread". Nature Communications. 2024 Jun 22;15(1):5318. doi: 10.1038/s41467-024-49657-4.

Paasch D, Lachmann N, "CAR macrophages tuning the immune symphony of anti-cancer therapies". Cell Stem Cell. 2024 Jun 6;31(6):791-793. doi: 10.1016/j.stem.2024.05.006.

Abdin SM, Paasch D, Lachmann N. "CAR macrophages on a fast track to solid tumor therapy". Nat Immunol. 2024 Jan;25(1):11-12. doi: 10.1038/s41590-023-01696-7.

Abdin SM, Paasch D, Kloos A, Oliveira MC, Jang MS, Ackermann M, Stamopoulou A, Mroch PJ, Falk CS, von Kaisenberg CS, Schambach A, Heuser M, Moritz T, Hansen G, Morgan M, Lachmann N. "Scalable generation of functional human iPSC-derived CAR-macrophages that efficiently eradicate CD19-positive leukemia". J Immunother Cancer. 2023 Dec 22;11(12):e007705. doi: 10.1136/jitc-2023-007705.

Malainou C, Abdin SM, Lachmann N, Matt U, Herold S "Alveolar macrophages in tissue homeostasis, inflammation, and infection: evolving concepts of therapeutic targeting". J Clin Invest. 2023 Oct 2;133(19):e170501

Forde AJ, Kolter J, Zwicky P, Baasch S, Lohrmann F, Eckert M, Gres V, Lagies S, Gorka O, Rambold AS, Buescher JM, Kammerer B, Lachmann N, Prinz M, Groß O, Pearce EJ, Becher B, Henneke P., "Metabolic rewiring tunes dermal macrophages in staphylococcal skin infection". Science Immunol. 2023 Aug 18;8(86):eadg3517. doi: 10.1126/sciimmunol.adg3517. Epub 2023 Aug 11.

Ackermann M, Rafiei Hashtchin A, Manstein F, Carvalho Oliveira M, Kempf H, Zweigerdt R, Lachmann N. "Continuous human iPSC-macrophage mass production by suspension culture in stirred tank bioreactors". Nat Protocols. 2022 Feb;17(2):513-539. doi: 10.1038/s41596-021-00654-7

Ackermann M, Kempf H, Hetzel M, Hesse C, Hashtchin AR, Brinkert K, Schott JW, Haake K, Kühnel MP, Glage S, Figueiredo C, Jonigk D, Sewald K, Schambach A, Wronski S, Moritz T, Martin U, Zweigerdt R, Munder A, Lachmann N "Bioreactor-based mass production of human iPSC-derived macrophages enables immunotherapies against bacterial airway infections". Nature Communications. 2018 Nov 30;9(1):5088. doi: 10.1038/s41467-018-07570-7.