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Impfstoff-Produktion ohne Chemikalien: Neue Technologie entwickelt

© Foto : Fraunhofer IZIFraunhofer-Institut
Fraunhofer-Institut - SNA, 1920, 27.05.2021
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Sogenannte „Tot-Impfstoffe“ mit inaktiven Viren werden bisher mit Hilfe bedenklicher Zusatzstoffe hergestellt. Mehrere Fraunhofer-Institute haben nun ein neues Verfahren entwickelt, bei dem Viren mit Elektronen bestrahlt werden. Das erhöht nicht nur die Produktionsgeschwindigkeit, sondern verbessert auch die Qualität des Impfstoffs.
Impfung ist nicht gleich Impfung. Jeder Impfstoff verfolgt zwar dasselbe Ziel, nämlich gegen einen Erreger wie das Virus Sars-Cov-2 zu schützen. Aber in den eingeschlagenen Wegen unterscheiden sich die Impfstoffe deutlich. Neben jüngeren Ansätzen wie mRNA- und Vektor-Impfstoff gibt es den mittlerweile klassischen Ansatz der sogenannten Tot-Impfung. Dafür wird der Erreger in großen Mengen herangezüchtet und im Anschluss mit Chemikalien behandelt, die ihn unschädlich machen. Der Prozess wird als auch als Inaktivierung bezeichnet. An seinem Ende stehen Erreger, die dem ursprünglichen Virus noch stark ähneln, aber keine Infektion mehr auslösen können.

Chemische Mittel senken Qualität

Dieses seit Jahrzehnten angewandte Verfahren ist aus mehreren Gründen problematisch: Zum einen sind die eingesetzten Chemikalien selbst umwelt- und gesundheitsschädlich, manchmal sogar krebserregend. Zudem dauert es relativ lange, die Krankheitserreger zu inaktivieren, was einer schnellen Produktion hinderlich ist. Und schließlich verändern die Chemikalien zuweilen Teile des Virus, die für die Immunreaktion wichtig sind, was den Impfschutz senkt. „Das kann man vergleichen mit einem Fahndungsfoto: Wenn das Bild des inaktivierten Virus völlig anders aussieht als der Täter – das aktive Virus, mit dem man sich danach infizieren können –, dann hat die Polizei unglaubliche Schwierigkeiten, diesen zu erkennen und zu fassen. Die Polizei wäre hier das Immunsystem“, erklärt Jasmin Fertey das Problem im Gespräch mit SNA.
Fertey ist Arbeitsgruppenleiterin für Impfstoff-Technologien am Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI). In Zusammenarbeit mit Kollegen von zwei weiteren Fraunhofer-Instituten und finanziell gefördert durch die Bill-und-Melinda-Gates-Stiftung hat das Fraunhofer IZI eine Technologie entwickelt, welche die Produktion von „Tot-Impfstoffen“ revolutionieren könnte.
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Elektronen zerstören Viren-Erbgut und schonen die Hülle

Der neue Ansatz ist die Bestrahlung mit niederenergetischen Elektronen. Diese erhitzen das Virus laut Fertey nur gering, sodass die für die Impfung wichtigen Oberflächenproteine erhalten bleiben. Das deutlich weniger stabile Erbgut wird dagegen beim Elektronenbeschuss in Teile zerlegt. „Das geht unglaublich schnell, innerhalb von Millisekunden oder Sekunden und wenn die Erbinformation so stark fragmentiert ist, kann sich das Virus nicht mehr vermehren“, so die Immunologin.
Im Gegensatz zum Einsatz radioaktiver Strahlungsquellen kann der Elektronenstrahl unter Laborbedingungen eingesetzt werden. Die herangezüchteten Erreger müssen nicht in speziell abgeschirmte Anlagen zur Bestrahlung transportiert werden, sondern können direkt vor Ort inaktiviert werden. Der einzige Nachteil solcher niederenergetischen Elektronen: Sie können nur einen kurzen Weg in Flüssigkeiten zurücklegen, bis ihre Energie abgegeben ist. Damit sie in die Viren eindringen müssen, darf also der Flüssigkeitsfilm um die Viren wenige Hundertstel Millimeter Dicke nicht überschreiten. Genau das haben die Fraunhofer-Forscher geschafft.

Ultradünne Schichten bestrahlen

„Die Ingenieurskollegen haben sich hier verschiedene Verfahren ausgedacht“, erläutert die Forscherin. „Ein Verfahren beruht auf einer Rolle, die in einem Reservoir rotiert. In dieses Reservoir wird die Flüssigkeit, die die Viren enthält hineingepumpt. Die Rolle nimmt in der Rotation die Flüssigkeit auf und transportiert die dann als dünnen Film unter der Elektronenquelle hindurch. Das ist das gleiche Prinzip wie bei einem Deoroller. Wenn das dann bestrahlt wurde, wird hinter der Rolle das inaktivierte Material hinter der Rolle abgestreift und in einem sterilen Behälter gesammelt.“
Fertey weiter: „Dadurch, dass sich die Rolle permanent dreht wurde es als kontinuierliches Verfahren konzipiert und eignet sich für größere Flüssigkeitsmengen. Wir bewegen uns hier im Bereich von einigen Litern am Tag. Es ist aber möglich, das nach oben hin zu skalieren auf mehrere Liter in der Stunde.“
Bei einem anderen Ansatz werden laut der Wissenschaftlerin die Erreger samt Flüssigkeit in einen Kunststoffbeutel eingeschweißt. Der Beutel wird über Förderbänder gezogen und unter der Elektronenquelle flachgezogen. Dadurch wird an der Stelle der notwendige dünne Flüssigkeitsfilm erzeugt. Allerdings arbeiten die Fraunhofer-Forscher hier mit kleineren Mengen im Bereich von 10 bis 20 Milliliter.
Für eine Impfstoffproduktion im großen Stil eignet sich der Ansatz nicht, dafür umso mehr für Grundlagenforschung. „Der Charme ist, dass im Beutel das Produkt nicht die Anlage berührt“, so Fertey. „Man kann also verschiedene Dinge hintereinander bestrahlen, ohne dass dazwischen ein Sterilisationsprozess laufen muss.“

Richtige Strahlendosis schaltet alle Viren aus

Das Verfahren wurde bereits an einigen verbreiteten Erregern wie Grippeviren erprobt, deren Erbgut aus RNA besteht, ebenso an Herpesviren, deren Erbgut in Form von DNA vorliegt. Auch das Virus, das die durch Zecken übertragene Hirnentzündung FSME auslöst, wurde vor wenigen Wochen so inaktiviert. Die Aufzucht dieser Erreger und die Prüfung des entstandenen Impfstoffs war dabei Aufgabe der Forscher vom Fraunhofer IZI.
„Das Ziel bei diesen Versuchen ist es immer, eine Dosis herauszufinden, bei der 100 Prozent der Viren inaktiviert sind“, erklärte die Wissenschaftlerin. „Aktive Viren dürfen nicht im Impfstoff sein, sonst vermehren sie sich im Körper.“ Geprüft wird laut Fertey der bestrahlte Impfstoff, indem er auf Zellkulturen gegeben wird. Vermehren sich Viren in den Zellen, war die Strahlendosis zu schwach. Vermehrt sich in der Zellkultur nichts, so wurden 100 Prozent ausgeschaltet.
Das inaktivierte Material wird außerdem in nachgeschalteten Versuchen eingesetzt, um zu prüfen, inwieweit es einen Immunschutz gegen das Virus aufbaut. Fertey dazu: „Wir haben gerade getestet, ob man die bestrahlten Viren als Impfstoff verwenden kann und die dann vor einer anschließenden Infektion schützen können. Dafür muss man Tierversuche durchführen, eine andere Möglichkeit hat man aktuell noch nicht. Das haben wir für ein paar Erreger getan, zum Beispiel für Grippe oder andere respiratorische Viren wie das Respiratorische Synzytial-Virus-Infektionen (RSV) und haben gesehen, dass eine Impfung mit dem elektronenstrahl-inaktivierten Material eine sehr effiziente Immunantwort auslöst, die auch vor einer anschließenden Infektion schützt.“

Bestrahlungsanlage bauen

Bevor jedoch der erste mit Elektronen behandelte „Tot-Impfstoff“ auf den Markt kommt, dürfte noch einige Zeit vergehen. Die Verfahren für bisherige „Tot-Impfstoffe“ können nicht einfach auf die neue Technologie umgestellt werden. Zuvor müssen klinische Studien erfolgen, an deren Ende eine Zulassung steht. Letztere sei zeitintensiv und finanziell aufwändig, betont die Forscherin. Da es bereits funktionierende chemische Verfahren gebe, sei der Anreiz für Pharma-Unternehmen, die bereits solche Impfstoffe herstellen, nicht so hoch.
Allerdings sprechen aus Sicht von Fertey die schnellere Produktionsgeschwindigkeit und die bessere Qualität des erzeugten Impfstoffs für den Einsatz der Technologie in der Zukunft. „Wir haben aktuell keinen Impfstoffhersteller an der Hand, aber wir haben eine Firma lizensiert, die so eine Bestrahlungsanlage bauen und herstellen möchte.“ Zu Ende 2022 sollen die ersten Prototypen der notwendigen Maschinen und Geräten fertiggestellt werden und Impfstoffherstellern zur Verfügung stehen.
Das Interview mit Jasmin Fertey zum Nachhören:
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