Hydrogel statt Kühlkette Molekulare Tupperware soll Impfstoffe frisch halten

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Impfstoffe sind meist sehr temperaturanfällig und müssen gekühlt werden, damit sie wirksam bleiben. Ein Team unter Leitung der ETH Zürich hat nun eine alternative Methode entwickelt: Mit einem Hydrogel soll die Temperaturstabilität empfindlicher Biomoleküle erhöht werden.

Zürich/Schweiz – Beinahe die Hälfte aller produzierten Impfstoffe landen im Abfall. Grund dafür sind oft logistische Hürden beim Transport in die verschiedenen Regionen der Welt. Die meisten Impfstoffe müssen von der Herstellung bis zur Verabreichung in den Arm von Patienten ununterbrochen gekühlt werden. Und die Temperatur entlang einer Kühlkette konstant zu halten, ist bereits unter optimalen Bedingungen ein Kunststück. In Subsahara-Afrika und anderen Ländern des Südens ist dies jedoch kaum machbar, erschweren doch z. B. die begrenzte Verkehrsinfrastruktur und die unzuverlässige Stromversorgung das Aufrechterhalten der Kühlkette und damit die Bereitstellung intakter Impfstoffe.

Wissenschaftler der ETH Zürich und Unternehmer des Startups amerikanischen Nanoly Bioscience aus Colorado haben deshalb eine Plattform entwickelt, um die thermische Stabilität von Impfstoffen zu erhöhen. Ihr Ziel ist, die Verbreitung von intakten Impfstoffen massiv zu verbessern und die Kosten von Kühlketten zu senken.

Hydrogel gegen Hitzeempfindlichkeit

Warum die Lagerung von Vakzinen so schwierig zu bewerkstelligen ist, erklärt Bruno Marco-Dufort, Doktorand im Labor für Macromolecular Engineering von ETH-Professor Mark Tibbitt. „Stellen Sie sich das wie ein Ei vor. Bei Raumtemperatur oder im Kühlschrank behält es seine zähflüssige Eiweißstruktur bei. In kochendem Wasser oder in der Bratpfanne ändert sich diese jedoch komplett.“ Ähnlich verhält es sich mit den Proteinen in einem Impfstoff: Sobald sie bestimmten Temperaturen ausgesetzt sind, verklumpen sie – und dafür sind keine 100 °C nötig. Diese Verklumpungen lassen sich selbst dann nicht rückgängig machen, wenn der Impfstoff wieder in die Kühle kommt. „Man kann ein Ei auch nicht ‚entkochen‘“, sagt Marco-Dufort.

Der Forscher und sein Team entwickelten deshalb ein neues Hydrogel, das auf einem biokompatiblen, synthetischen Polymer namens PEG basiert. Dieses bildet eine Schutzhülle um sehr große, komplexe Moleküle, wie Proteine in Impfstoffen, Antikörper oder solche in Gentherapien.

Die Verpackung funktioniert wie eine molekulare Tupperware, die die Proteine einkapselt und voneinander getrennt hält. Dadurch können Proteine größeren Schwankungen in einem höheren Temperaturbereich standhalten. Anstelle des herkömmlichen Bereichs von 2 bis 8 °C, der in einer Kühlkette eingehalten werden muss, ermöglicht die Verkapselung, Proteine in einem Bereich von 25 bis zu 65 °C aufzubewahren. Um die eingekapselten Substanzen am Einsatzort unkompliziert freizusetzen, genügt es, dem Hydrogel eine Zuckerlösung beizugeben.

Anwendung im Forschungsbereich schon jetzt möglich

Neben höherer Haltbarkeit von Impfstoffen liegt der Nutzen dieser neuen Hydrogel-Technologie in der potenziellen Reduktion von Kosten im Zusammenhang mit der Kühlkette. „2020 betrug der Gesamtmarkt für Kühlkettendienstleistungen von der Herstellung bis zum Vertrieb 17,2 Milliarden Dollar, und es wurde mit einem weiteren Anstieg gerechnet“, sagt Marco-Dufort. Steigende Kosten können schwerwiegende Folgen für die öffentliche Gesundheit und das öffentliche Vertrauen haben, wenn Impfstoffe über eine beeinträchtigte Kühlkette zum Zielort gelangen.

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„Die meisten Impfstoffe sind empfindlich gegen Hitze und Kälte. Dies stellt eine große Hürde für globale Impfkampagnen dar, da der Aufwand für die Impfstoffverteilung und die Verwaltungskosten die Produktionskosten übersteigen“, erklärt der ETHZ-Forscher. Will man die Kühlkette verbessern und stärken, seien große Investitionen erforderlich. „Die Einkapselung ist hingegen eine kostensparende Lösung, sodass die Gelder dafür eingesetzt werden können, mehr Impfstoff zu produzieren – was mehr Leben retten könnte.“

Damit das Hydrogel tatsächlich für den Transport von Impfstoffen eingesetzt werden kann, braucht es aber mehr Forschung sowie Sicherheits- und klinische Studien. Eine unmittelbare Anwendung ist dennoch möglich, und liegt z. B. im Transport von hitzeempfindlichen Enzymen für die Krebsforschung oder von Proteinmolekülen für die Forschung im Labor.

Originalpublikation: Marco-Dufort B, Janczy JR, et al.: Thermal stabilization of diverse biologics using reversible hydrogels, Science Advances, 5. August 2022; DOI: 10.1126/sciadv.abo0502

* M. Lucien, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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