In der frühen Wirkstoffforschung stehen den Forschenden oft nur winzige Mengen einer neuen chemischen Substanz zur Verfügung, die letztendlich als Arzneimittelkandidat infrage kommen könnte. Und schon ein einfacher Test – etwa um zu prüfen, ob sich diese Substanz in Flüssigkeit löst – kann Tage dauern und den Grossteil dieses kostbaren Materials verbrauchen. Wie könnte dieser wichtige erste Schritt also schneller und effizienter gestaltet werden?
Bevor ein neuer Wirkstoff jemals eine Patientin oder einen Patienten erreicht, müssen womöglich ganze Tage in eine Aufgabe investiert werden, von der die meisten Menschen noch nie etwas gehört haben: in die Überprüfung, ob sich eine chemische Substanz, die sich möglicherweise als Wirkstoff eignet, tatsächlich in Flüssigkeit löst. In vielen Labors bereiten die Forschenden Probensätze für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC, High Performance Liquid Chromatography) vor – ein Verfahren, bei dem die Flüssigkeiten durch lange Säulen gepresst werden, sodass ihre Bestandteile getrennt und quantifiziert werden können. Dieses Verfahren ist zwar genau, aber langsam und teuer – zudem werden dabei sowohl Chemikalien als auch wertvolles Probenmaterial verbraucht. In der frühen Forschungsphase, in der jedes Milligramm zählt, wird dies zu einem ernsthaften limitierenden Faktor.
Basierend auf Forschungen der EPFL haben ORYL Photonics und CSEM gemeinsam ein neues Modell für Löslichkeitstests entwickelt: einen serienreifen Prototyp, der anstelle von langsamen und teuren HPLC‑Säulen Licht verwendet. Das Modell nutzt die zweite harmonische Lichtstreuung (SHS, Second Harmonic Scattering), eine laserbasierte Methode, die von ORYL Photonics und der EPFL entwickelt wurde. CSEM setzte dieses Know-how in ein praxistaugliches Instrument um, indem es die Optik entwarf, den Ultrakurzpulslaser integrierte und die Elektronik sowie die Bewegungssteuerung entwickelte.
Stefano Cattaneo, Group Leader Optoelectronic Systems bei CSEM, erklärt: «In dem Gerät strahlt ein gepulster Laser in ein winziges Volumen einer Lösung in einer Well-Platte. Wenn das Medikament vollständig aufgelöst ist, durchdringt das Laserlicht die Probe im Wesentlichen unverändert. Sobald sich die Moleküle jedoch zu aggregieren beginnen – ein frühes Anzeichen für eine schlechte Löslichkeit –, entsteht ein schwaches SHS-Signal, das unser System erfassen kann.»
Da die SHS äusserst empfindlich ist, werden diese Veränderungen bereits bei sehr geringen Konzentrationen erkannt, lange bevor die Lösung sichtbar trüb wird. So können Forschende mit 100-mal weniger Substanz arbeiten können als bei typischen HPLC-Arbeitsabläufen – und dennoch zuverlässige Ergebnisse erhalten.
CSEM und ORYL Photonics haben diese Methode in ein praxistaugliches, plattenbasiertes Instrument verwandelt, mit dem sich eine 384-Well-Platte innerhalb von etwa 15 Minuten analysieren lässt. Dadurch werden Löslichkeitstests etwa 100-mal schneller und 10-mal kostengünstiger als mit herkömmlichen HPLC-basierten Löslichkeits-Prozess – ohne Abstriche bei der Zuverlässigkeit.
Die Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) brachte ihr pharmazeutisches Fachwissen ein, um die Methode mit bestehenden Standards zu vergleichen und sie mit realen Wirkstoffen zu validieren. Orly Tarun, Co-Founder und CEO von ORYL Photonics, erläutert: «Für Kunden aus der Pharmaindustrie verringert der geringvolumige, säulenfreie Prozess dieses neuen Modells den Bedarf an Lösungsmitteln, Verbrauchsmaterialien und manuellen Arbeitsschritten erheblich. Noch wichtiger ist, dass durch den Einsatz sehr kleiner Mengen wertvoller neuer chemischer Substanzen mehr Messungen mit weniger Material durchgeführt werden können – ein entscheidender Schritt, um den Engpass in der frühen Pharmaforschung zu entschärfen. Bei einer weltweiten Einführung könnten bis zu 70 Millionen Liter Lösungsmittel und 4,7 TWh Strom eingespart werden. Das entspricht etwa 8 % des jährlichen Stromverbrauchs der Schweiz. Gleichzeitig würden so die Ziele der Vereinten Nationen in Bezug auf Gesundheit und verantwortungsvolle Produktion unterstützt.»
Der Weg dieses Modells von der Forschung an der EPFL bis hin zu seiner heutigen industrietauglichen Lösung zeigt, was möglich ist, wenn akademisches Wissen auf herausragende Ingenieurskunst trifft. ORYL Photonics steuerte das SHS-Know-how bei, CSEM brachte seine Expertise in den Bereichen Optik, Elektronik, Sicherheit und Systemdesign ein und die FHNW stellte sicher, dass damit echte Herausforderungen der Pharmaindustrie gelöst werden. Gemeinsam haben sie eine flexible, modulare Plattform geschaffen, die sich angesichts der Weiterentwicklung der Wirkstoffforschung entsprechend aufrüsten und anpassen lässt.
Das neue System beseitigt einen entscheidenden Engpass in der frühen Arzneimittelentwicklung, indem es die Löslichkeitstests beschleunigt sowie den Materialverbrauch reduziert – und es gewährleistet erst noch eine höhere Empfindlichkeit und ist weitaus nachhaltiger. Es senkt die Kosten, reduziert die Umweltbelastung und sorgt zugleich dafür, dass neue Medikamente für Patientinnen und Patienten schneller zugänglich sind.
CSEM hat unser Vertrauen gewonnen und unseren Prototyp zu einem robusten, industrietauglichen Instrument weiterentwickelt. Dank ihres Know-hows im optischen und elektronischen Design konnten die CSEM-Teams die zentralen Herausforderungen lösen und die von uns benötigte Performance von 384 Wells in 15 Minuten erzielen. Neben der technischen Exzellenz war die Zusammenarbeit aufrichtig, transparent und von echter Partnerschaft geprägt.
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