Ein multidisziplinäres Team der Universität Strathclyde arbeitet daran, die Entwicklung von pharmazeutischen Tabletten durch den industriellen Einsatz digitaler Technologien zu verändern. Das Projekt „Made Smarter Innovation – Digital Medicines Manufacturing Research Centre“ (DM2) wurde gemeinsam mit Partnern aus der Industrie – Pharmaunternehmen und Technologielieferanten wie MEDELPHARM – sowie dem CMAC (Centre for Continuous Manufacturing and Advanced Crystallization) an der Universität Strathclyde ins Leben gerufen und wird auch gemeinsam durchgeführt. Das Projekt umfasst fünf Plattformen; eine davon stellt eine „Self-Driving Tableting DataFactory“ bereit. Diese Plattform verfolgt das Ziel, die Entwicklung von pharmazeutischen Produkten und Qualitätskontrollstrategien mithilfe industrieller digitaler Technologien zu beschleunigen – unter Einbeziehung von künstlicher Intelligenz (KI), Robotik und digitalen Zwillingen. Das Forschungsprojekt wird aus öffentlichen Mitteln finanziert und erforderte eine erhebliche Kofinanzierung durch die Industrie (siehe Kasten S. 11). Die Plattform wird von Dr. Daniel Markl, dem stellvertretenden Direktor des CMAC, geleitet.

Proprietäre Datenlage

Der Weg zur Transformation der Tablettenentwicklung beginnt mit einer Besonderheit der Pharmaindustrie: „Uns fehlen strukturierte, unternehmensübergreifende Daten, andere Branchen haben Millionen davon für KI-Anwendungen, wir nur Hunderte“, erläutert Markl die Ausgangslage. Daher liegen kaum negative Versuchs

CMACs Quality by Digital Design-Ansatz

Einerseits folgen die Prozesse dem aktuellen Forschungstrend hin zu selbststeuernden Laboren. Andererseits ergänzen digitale Werkzeuge wie „KI“, „kollaborative Robotik“ und „Echtzeitoptimierung“ das wissenschaftliche Prinzip von QbD (Quality by Design) und führen zu einem Quality by Digital Design (QbDD)-Ansatz, wie er bei CMAC entwickelt wurde. Dies ermöglicht dem Team, einen automatisierten „Design – Make – Test – Analyze“-Workflow zu etablieren: Am Beispiel des Formulierungsprozesses entwerfen datengestützte Modelle die Versuchsbedingungen, das automatisierte Tablettiersystem stellt unter diesen Bedingungen Tabletten her, testet sie und analysiert die Daten automatisch, um die Modelle zu aktualisieren und die nächsten Versuche zu identifizieren.

Dieser Ansatz schafft einen „multidimensionalen, modellbasierten Parameterraum“, erklärt Markl, der „die Anzahl der Experimente zur Produktentwicklung deutlich reduziert und die Wahrscheinlichkeit eines optimalen Prozesses erhöht“. Dennoch ersetzt dieser Ansatz Experimente nicht vollständig, da diese nach wie vor essenziell für die Einhaltung regulatorischer Anforderungen der pharmazeutischen Industrie sind: „Wir nutzen Modelle, um die Experimente mit der höchsten Wahrscheinlichkeit für maximalen Informationsgewinn zu identifizieren“, erklärt der Wissenschaftler. Die Herausforderung in der industriellen Entwicklung besteht darin, dass Entscheidungen in frühen Phasen auf kleinen Materialmengen basieren, aber „großen Einfluss auf spätere Änderungen haben“. Markl begrüßt daher, dass sich die Haltung der Industrie zu Konnektivität und Datenteilung verändert: „Mittlerweile erkennt jeder den Wert unternehmensübergreifender Daten.“

Für Markl stellen die Prozesse mit den Zulassungsbehörden die „größten Hürden“ dar. Der Einsatz von KI und datengestützten Modellen wird kritisch gesehen. „Wir müssen die Technologien transparenter machen, indem wir sektorenübergreifend in einem vorwettbewerblichen Rahmen zusammenarbeiten“, fordert der Wissenschaftler. Auch der Kompetenzaufbau bei den Behörden im Umgang mit diesen neuen Technologien sei wichtig. Die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) etwa arbeitet bereits eng mit Hochschulen und Industrie zusammen und investiert in regulatorische Wissenschaft und Innovation zu diesen Themen.

Für alle Schritte geeignet: der STYL’One Nano

Die beteiligten Unternehmen unterstützen das Projekt durch Sachleistungen und finanziell, aber „ihr Engagement ist in jeder Hinsicht entscheidend“, erklärt Markl. Das große Interesse von KORSCH und MEDELPHARM an der Forschung in Verbindung mit dem Einsatz des Verdichtungssimulators STYL’One Nano war ein entscheidender Faktor für die Entwicklung des Projekts: Einerseits bieten seine präzise Stempelverschiebungskontrolle und die fortschrittliche Instrumentierung in einem kompakten Tischdesign die wesentlichen Voraussetzungen für automatisierte Prozesse. Andererseits erschließt seine Flexibilität neue Forschungsmöglichkeiten, wie Markl berichtet: „Das System wurde in enger Zusammenarbeit mit Quentin Boulay von MEDELPHARM für unsere Bedürfnisse optimiert. Zum Beispiel kann das Pulver jetzt automatisch mit einem Roboterarm in den Verdichtungssimulator bewegt werden und der Verdichtungssimulator kann vollständig extern gesteuert werden.“

In dieser Hinsicht ist der STYL’One Nano „eine perfekte Lösung für uns“, fasst der Experte zusammen. Er ist geeignet für zukünftige Laborumgebungen, auch wenn seine digitale Schnittstelle derzeit noch benutzerdefiniert ist: „Jedes Gerät in unserem Labor soll künftig eine standardisierte digitale Schnittstelle haben“, erklärt Markl. So wird eine nahtlose digitale Integration von Geräten und Prozessen ermöglicht, um Signale zu senden, Parameter zu definieren, Prozesse zu starten und strukturierte Daten zu erfassen. Markl hofft, dass standardisierte Schnittstellen mit einheitlichen Protokollen entwickelt werden, um die Einführung industrieller digitaler Technologien zu beschleunigen – und letztlich neue Medikamente schneller zu den Patient:innen zu bringen.

Die KORSCH XP 1 Ein-Stempel-Tablettenpresse wird ebenfalls von der wissenschaftlichen Gemeinschaft in Strathclyde eingesetzt und liefert im Rahmen mehrerer vorwettbewerblicher Industrieprojekte bei CMAC wöchentlich Hunderte von Datenpunkten. Zudem werden viele Doktorand:innen am Zentrum sie in den kommenden Jahren intensiv für ihre Forschungsprojekte nutzen. Die Universität wird also auch weiterhin Bedarf an den Geräten von KORSCH und MEDELPHARM haben.

Der STYL’One Nano wurde so optimiert, dass ein Roboterarm Pulver und Tabletten bewegen kann.

Centre for Continuous Manufacturing and Advanced Crystallisation (CMAC)

Das CMAC, angesiedelt an der University of Strathclyde in Glasgow, UK, ist ein international führendes Forschungszentrum für pharmazeutische Produktion mit einer einzigartigen Kombination aus akademischer Forschung, angewandten und vorwettbewerblichen Programmen. In Partnerschaft mit Industriepartnern der Tier-1- und Tier-2-Ebene, akademischen Einrichtungen und Innovationspartnern verfolgt CMAC das Ziel, die Entwicklung, Herstellung und Versorgung mit Arzneimitteln grundlegend zu transformieren und sein weltweit führendes Portfolio an interdisziplinärer Kooperationsforschung weiter auszubauen. Dazu gehören u. a. das „Digital Medicines Manufacturing Research Centre (DM2)“, „Digital Design and Manufacture of Amorphous Pharmaceuticals (DDMAP)“, das „UKRPIF Net Zero Pilot“, das „UKRPIF CMAC Data Lab“ und das „CMAC Future Manufacturing Research Hub“, sowie Trainings- und Transferprojekte in einer hochmodernen Forschungsumgebung.

Das Projekt „Digital Medicines Manufacturing (DM2)”

Das CMAC beherbergt das DM2-Projekt (Digital Medicines Manufacturing), ein 3,5-jähriges Projekt, das im Oktober 2022 in Zusammenarbeit mit MEDELPHARM und zahlreichen weiteren Industriepartnern gestartet wurde. Mit dem Fokus auf digitale Entwicklung ist DM2 ein Vorzeigeprogramm zur Umsetzung der strategischen Ziele von CMAC: die digitale Reife der Arzneimittelherstellung zu steigern und Fachkräfte für digitalisierte Laborumgebungen auszubilden. DM2 wird kofinanziert durch die „Made Smarter Innovation Challenge“ von UK Research and Innovation (UKRI) sowie durch Investitionen der Industrie. Ansprechpartner bei MEDELPHARM sind Quentin Boulay (Product Marketing Manager) und Bruno Leclercq (Global Scientific Coordinator).

Über Daniel Markl

Daniel Markl ist Professor für Pharmazeutische Pro