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Neues Verfahren zur Produktion von Impfstoffen

Impfstoff-Herstellung: Elektronenstrahl statt Chemiekeule

| Autor / Redakteur: Jens Augustin* / Christian Lüttmann

Forschungs- und Versuchsanlage am Fraunhofer IZI. Für den Einsatz in der industriellen Impfstoffproduktion werden die Abmessungen der Anlage noch auf die Größe eines Kühlschranks schrumpfen.
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Forschungs- und Versuchsanlage am Fraunhofer IZI. Für den Einsatz in der industriellen Impfstoffproduktion werden die Abmessungen der Anlage noch auf die Größe eines Kühlschranks schrumpfen. (Bild: Fraunhofer IZI)

Bei der Herstellung so genannter Tot-Impfstoffe kommen oft giftige Chemikalien zum Einsatz. Sie machen die Erreger unschädlich, die den Patienten als Impfung zum Training des Immunsystems gespritzt werden. Fraunhofer Forscher haben nun eine Methode entwickelt, um solche Impfstoffe erstmals ohne Chemikalien-Einsatz zu produzieren. Dazu nutzen sie niederenergetische Elektronenstrahlen.

Leipzig, Stuttgart, Dresden – Impfungen gegen Kinderlähmung, Diphtherie, Keuchhusten und Tetanus gehören seit Jahrzehnten zum Standard-Programm beim Kinderarzt. Bei vielen Impfstoffen handelt es sich um Tot-Impfstoffe – die Krankheitserreger darin wurden also abgetötet und können dem Körper des Patienten somit nichts mehr anhaben. Eine Immunantwort lösen sie dennoch aus: Der Körper erkennt sie als fremd und startet die Immunreaktion, indem er entsprechende Antikörper ausbildet und sich vor der Krankheit schützt.

Zur Herstellung von Tot-Impfstoffen werden die Krankheitserreger in großer Zahl gezüchtet und durch Chemikalien abgetötet. Meist kommt hier das giftige Formaldehyd zum Einsatz – stark verdünnt, damit es dem Menschen später bei der Impfung nicht schadet. Die niedrige Konzentration bringt allerdings auch Nachteile mit sich: Das Gift muss meist mehrere Tage bis Wochen auf die Krankheitserreger einwirken, was sich ungünstig auf die Struktur der Erreger und auf die Reproduzierbarkeit der Impfstoffproduktion auswirkt. Muss es schnell gehen, wie bei einer Influenza-Impfung, greift man zu höheren Dosen an Formaldehyd. Hier muss jedoch eine aufwändige Filtration folgen, Reste der giftigen Chemikalien verbleiben dennoch im Impfstoff.

Beschleunigte Elektronen schalten Erreger aus

Künftig können Pharmakonzerne Tot-Impfstoffe herstellen, die keinerlei Reste von giftigen Chemikalien enthalten – und das zudem schnell und reproduzierbar. Besonderes Potenzial sehen Wissenschaftler in der Herstellung von Impfstoffen, die bislang nicht durch eine chemische Inaktivierung produziert werden konnten. Entwickelt wurde das entsprechende Verfahren von Forschern der Fraunhofer-Institute für Zelltherapie und Immunologie IZI, für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP sowie für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

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„Statt die Krankheitserreger mittels Chemikalien zu inaktivieren, nutzen wir niederenergetische Elektronenstrahlen“, sagt Martin Thoma, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA. Die beschleunigten Elektronen brechen die DNA der Erreger entweder über direkte Stöße auf, oder aber erzeugen Sekundärelektronen, die dann wiederum zu Doppel- oder Einzelstrangbrüchen führen. Sprich: Die DNA der Krankheitserreger wird durch die Elektronen regelrecht zerschreddert, während die äußere Struktur der Erreger intakt bleibt. Das ist entscheidend, um einen effektiven Immunschutz auszulösen.

Impfstoff von der Rolle

Beschleunigte Elektronen zum Abtöten von Erregern verwenden zu können war eine Herausforderung für die Forscher: Denn die Elektronen dringen nicht allzu tief in die Suspension mit den Krankheitserregern ein – für eine homogene Dosisverteilung sollte der Flüssigkeitspegel nicht höher sein als 200 Mikrometer. Die entsprechenden Techniken gab es bislang nicht, sie wurden am Fraunhofer IPA neu entwickelt.

Die erste Methode: Eine Rolle wird kontinuierlich mit der Erregersuspension benetzt, bestrahlt und die dann inaktivierte Flüssigkeit in ein steriles Gefäß überführt. Es gibt also zwei Flüssigkeitsreservoirs: Eines mit aktiven und eines mit inaktiven Erregern – verbunden über die sich drehende Rolle. „Dabei handelt es sich um einen kontinuierlichen Prozess, der sich ausgezeichnet für die Produktion von Impfstoffen hochskalieren lässt“, fasst Thoma zusammen.

Der zweite Ansatz eignet sich vor allem für kleinere Volumina, wie sie etwa in der Forschung und der Impfstoffentwicklung verwendet werden. Hierbei befindet sich die Lösung mit den Erregern in Beuteln, die mittels eines patentierten Verfahrens durch die Elektronenstrahlung geführt werden.

Testbetrieb bringt vier Liter Impfstoff pro Stunde

Das Verfahren funktioniert bereits, und das nicht nur im Labormaßstab: „Im Herbst 2018 haben wir am Fraunhofer IZI eine Forschungs- und Versuchsanlage in Betrieb genommen. Mit dem kontinuierlichen Modul – also der mit Flüssigkeit benetzten Rolle – können wir momentan vier Liter Impfstoff pro Stunde herstellen“, sagt Ulbert. Das ist bereits sehr nah an den Industriemaßstäben: So lassen sich bei einigen Impfstoffen beispielsweise aus 15 Litern Erreger-Suspension eine Million Impfstoffdosen herstellen. Auch Gespräche mit Industriepartnern laufen bereits. Bis erste mit Elektronenstrahlen hergestellte Impfstoffe in die klinische Prüfung kommen, wird es jedoch mindestens noch zwei bis vier Jahre dauern.

* J. Augustin, Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI, 04103 Leipzig

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