Impfstoff: Diese Methode macht das Vakzin wirksamer
Giftige Chemikalien zur Inaktivierung von Krankheitserregern werden jetzt von sauberen Killern verdrängt. Drei Fraunhofer-Institute haben ein schnelles und umweltverträgliches Verfahren entwickelt.
Fraunhofer-Forschende haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Impfstoff chemikalienfrei und sicher hergestellt werden kann.
Foto: Fraunhofer / Piotr Banczerowski
Die Corona-Pandemie hat das Thema Impfen wieder stark in den Fokus gerückt: Impfstoff gegen Diphterie, Kinderlähmung, Hepatitis B und andere Viruserkrankungen lassen sich künftig schneller und umweltverträglicher herstellen. Außerdem sind sie wahrscheinlich wirksamer.
Forscher an drei Fraunhofer-Instituten haben einen neuen Weg gefunden, die lebenden Mikroorganismen zu inaktivieren. Sie beschießen sie mit relativ energiearmen Elektronen. Dadurch werden sie zuverlässig abgetötet, doch ihre Außenhülle bleibt intakt. Das Immunsystem des Körpers bildet Abwehrstoffe, die Mikroorganismen mit genau dieser Außenhülle angreifen, wenn sie nach dem Impfen in lebender Form in den Körper eindringen.
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Impfstoff: Giftstoffe müssen entsorgt werden
Bisher werden Viren mit giftigen Chemikalien getötet, etwa mit Formaldehyd. Darin müssen sie wochen- oder gar monatelang gelagert werden, ehe die Erbinformationen zuverlässig abgetötet sind und die Viren sich nicht mehr vermehren können.
Ein Prototyp des Moduls zur kontinuierlichen Inaktivierung von Erregersuspension: Das Modul wird unterhalb einer Elektronenstrahlquelle montiert und sorgt dabei für eine kontinuierliche und definierte Fluidführung von infektiöser Erregersuspension durch den Elektronenstrahl. Schon mit diesem frühen Modell lässt sich nach Fraunhofer-Angaben ein Volumen von ca. 3,5 L pro Stunde inaktivieren – 15 L entsprechen ca. einer Million Impfstoffdosen. Das Verfahren sei ohne weiteres auf deutlich höhere Durchsätze skalierbar, sagen die Forscher.
Anschließend ist eine aufwändige Reinigungsprozedur nötig. Die übrigbleibenden Giftstoffe müssen entsorgt und vernichtet werden, damit die Umwelt keinen Schaden nimmt. Bei diesem Verfahren kann die Außenhülle teilweise zerstört werden, sodass die Abwehrkräfte des Körpers, die sich nach dem Impfen bilden, einen lebenden Feind nicht zuverlässig erkennen.
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Inaktivierung durch Elektronen-Beschuss im Sekundentakt
Der Beschuss mit Elektronen dauere nur Sekunden, sagt Sebastian Ulbert vom Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI) in Leipzig. Ehe das Verfahren zuverlässig funktionierte mussten die Forscher eine hohe Hürde nehmen. Elektronen verlieren sehr schnell ihre Energie, wenn sie eine Flüssigkeit durchqueren – die Viren werden in einer Nährlösung gehalten. Es galt also sicherzustellen, dass der Flüssigkeitsfilm, der sie umgibt, nicht dicker ist als 100 Mikrometer.
Für ihre Arbeit an einem neuen Herstellungsverfahren von Impfstoffen erhalten sie den Fraunhofer-Preis „Technik für den Menschen und seine Umwelt“: Frank-Holm Rögner, Sebastian Ulbert, Jasmin Fertey und Martin Thoma (v.l.n.r.).
„Dafür war eine anspruchsvolle Anlagentechnik vonnöten“, sagt Frank-Holm Rögner vom Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) aus Dresden. „Aus diesem Grund haben wir das Fraunhofer IPA mit ins Boot geholt.“ IPA ist das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung aus Stuttgart, das eine Anlage baute, die die Anforderung der Kollege aus Leipzig und Dresden erfüllt.
Viren werden abgestreift
Im IPA-Modul wird die Flüssigkeitshülle, die die Viren umgibt, mit höchster Präzision so weit reduziert, dass die Elektronen, die eine Energie von lediglich 200 Kiloelektronenvolt haben, so tief eindringen, dass die Erbinformation zuverlässig zerstört wird. Gleichzeitig galt es sicherzustellen, dass die Viren mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit durch den Elektronenstrahl „schwimmen“. „Wir haben gleich zwei Module entwickelt, die die Anforderungen erfüllen“, sagt IPA-Forscher Martin Thoma. Beim ersten werden die Viren samt Flüssigkeit in extrem flache Beutel gefüllt und durch den Elektronenstrahl geführt. Beim zweiten Modul wird eine Rolle mit der virenhaltigen Flüssigkeit kontinuierlich benetzt. Während sie sich dreht, passiert ihre Oberfläche den Elektronenstrahl. Danach werden die inaktivierten Viren abgestreift.
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Impfstoff: Finanzierung durch die Bill-Gates-Stiftung
Fünf Jahre hat es gedauert, bis das Verfahren zuverlässig funktionierte. Die Bill & Melinda Gates Foundation unterstützte die Arbeit mit 1,8 Millionen US-Dollar. Forscher am IZI kultivierten verschiedene Erreger – darunter die der Vogel- und Pferdegrippe, und prüften, ob diese durch die Bestrahlung vollständig inaktiviert wurden und einen effektiven Impfschutz bieten. Der Prototyp aus Stuttgart, der in Leipzig installiert ist, hat einen Durchsatz von 3,5 Litern pro Stunde. Das reicht für fast 250.000 Impfdosen. Das Verfahren lasse sich in die industrielle Produktion von Impfstoffen integrieren, sagen die Forscher.
Erfahrung mit Elektronen bei Saatgut
Das FEP hat seit Jahren Erfahrung mit der Anwendung von Elektronen. Die Dresdner Forscher haben beispielsweise ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Krankheitserreger auf Saatgut abtöten lassen. Die Energie der Elektronen ist so dosiert, dass sie spätestens nach dem Eindringen in die Schale des Saatguts ihre gesamte Energie verlieren, sodass die Erbinformation im Inneren nicht geschädigt wird. Die Ceravis AG aus Rendsburg betreibt seit 2018 in Güstrow in Mecklenburg-Vorpommern eine Anlage zur Behandlung von Saatgut mit Elektronen, die einen Durchsatz von 25 Tonnen Getreide pro Stunde hat.
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