Schneller zur Impfung
Selten wurde ein Impfstoff so sehnlichst erwartet wie jetzt. Gibt es eine Impfung gegen Covid-19 wäre dem Coronavirus beizukommen, hoffen viele. Am Dresdner Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit einiger Zeit daran, Impfstoffe effektiver zu machen und ohne Chemikalien herzustellen. Jetzt wurde das Verfahren erstmals für ein großes Medizintechnikunternehmen lizenziert. In Zukunft könnte die neue Technologie die Impfstoffherstellung revolutionieren.
Die Herstellung sogenannter Tot-Impfstoffe gegen Grippe oder Hepatitis A funktioniert seit den 1950er-Jahren nach dem gleichen Prinzip. Dabei werden giftige Chemikalien eingesetzt. Ausgangspunkt ist ein Virus. Die chemischen Stoffe zerstören dessen DNA, den Träger der Erbinformation. Das Virus kann sich nicht mehr vermehren. Solch ein Verfahren dauert oft Wochen. Mit der Neuentwicklung von Fraunhofer soll die Zeit auf Stunden bis Tage verkürzt werden. Chemikalien sind nicht notwendig. Das Virus wird durch Bestrahlung mit niederenergetischen Elektronen unschädlich gemacht.
Die Elektronen dringen dabei in den Impfstoff ein und zerstören die Verbindungen zwischen den DNA-Molekülen. Im Gegensatz zur Behandlung mit Chemie bleiben so die Antigene erhalten. Sie sind für die Immunabwehr des Körpers wichtig, der sie erkennt und passende Antikörper gegen den Krankheitserreger bildet. Die Hoffnung der Forscher ist, dass der Körper durch das neue Verfahren deutlich spezifischere Antikörper gegen den Erreger bilden kann und somit besser geschützt ist. Außerdem könnten zur Impfung geringere Mengen Impfstoff eingesetzt werden.
Bei der Entwicklung arbeiten die Dresdner mit drei weiteren Fraunhofer-Instituten zusammen. Eines davon ist das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI in Leipzig. Im August 2018 wurde dort eine Versuchsanlage zur niedrigenergetischen Elektronenbestrahlung von Flüssigkeiten in Betrieb genommen, die ELLI 300. Darin wird seitdem im Kleinen getestet, was später im Großen funktionieren soll. Vom Labormaßstab zur Industrieanlage. „Wir konnten bereits zeigen, dass das Verfahren bei Viren, Zellen und auch Bakterien wirksam ist“, erklärt Simone Schopf, Arbeitsgruppenleiterin für Biotechnologische Prozesse am Dresdner Fraunhofer FEP.
Die Dresdner haben für die Anlage die Bestrahlungstechnik beigesteuert. Bisher war die gleichmäßige Bestrahlung von Flüssigkeiten kompliziert. Die Elektronen müssen dabei gezielt beschleunigt und präzise gesteuert werden, damit die richtige Eindringtiefe erreicht wird. Zwei Möglichkeiten haben die Forscher in ihrer Anlage ausprobiert. Bei der ersten Variante werden die Flüssigkeiten mit den Erregern in Beutel abgefüllt und dann an der Elektronenstrahlquelle vorbeigeführt. Bei einer zweiten Variante wird eine Rolle mit dem dünnen Flüssigkeitsfilm benetzt und dann mit den Elektronen bestrahlt. „Beide Wege funktionieren gut, das konnten wir in verschiedenen Projekten sehen“, sagt die promovierte Mikrobiologin.
Aus 15 Litern Erreger-Flüssigkeit könnte die Anlage nun rund eine Million Impfstoffdosen herstellen. „Momentan schaffen wir mit dem kontinuierlichen Modul, mit der Flüssigkeit benetzten Rolle, bereits mehr als einen Liter inaktivierte Erregersuspension pro Stunde.“ Damit die Menge weiter gesteigert werden kann, arbeiten die beteiligten Institute an weiteren Spezifikationen, damit auch das gelingt.
Die Pharmaindustrie zeigt großes Interesse an diesem alternativen Vorgehen für die Impfstoffherstellung. Machbarkeitsstudien sind bereits in Planung. Ein großes Medizintechnikunternehmen hat vor Kurzem bereits eine erste Lizenz erhalten. Beim Start 2018 erklärten die Wissenschaftler, in drei bis fünf Jahren könnte das Verfahren in die industrielle Anwendung kommen. „Dieser Zeitplan ist immer noch realistisch“, schätzt Simone Schopf ein. Bis es zur Impfstoffherstellung eingesetzt werden kann, werden noch einige Jahre vergehen. Vorher sind Studien und Genehmigungen notwendig, die belegen, dass das Verfahren für Menschen sicher ist.
Nicht nur bei der Impfstoffherstellung kann die niedrigenergetische Elektronenbestrahlung in Zukunft helfen. Medizinprodukte können dadurch ebenfalls effektiv sterilisiert werden. Die Dresdner Fraunhofer-Forscher arbeiten parallel dazu an einem neuen Verfahren, das diese Prozesse sogar noch beschleunigen könnte. In der Versuchsanlage in Leipzig müssen Flüssigkeiten derzeit erst in Beutel gefüllt oder über Rollen geführt werden. Das Ziel der Arbeitsgruppe von Simone Schopf: Künftig sollen die Elektronen direkt in die Flüssigkeit eingebracht werden. Dafür wollen sie einen Bioreaktor mit einer niederenergetischen Elektronenquelle kombinieren. Mit dieser hybriden Konstruktion ist erstmals eine direkte Behandlung von Flüssigkeiten mit Elektronen möglich.
Die Anwendungsfelder beschränken sich längst nicht nur auf die Pharmaindustrie und die Impfstoffherstellung. „Auch in der Umwelttechnik könnte das Hybridverfahren Anwendung finden“, sagt die Gruppenleiterin. Die Technologie ermögliche zudem einen wichtigen Beitrag zum Schutz der Umwelt. „So können wir Verunreinigungen, wie Arzneimittelrückstände, in pharmazeutischen Abwässern abbauen, um die Wasserqualität zu verbessern.“ Darüber hinaus ist auch die Produktion biologisch abbaubarer Kunststoffe in einem energieeffizienten Prozess unter Verwendung von niederenergetisch beschleunigten Elektronen denkbar.
Mit wenigen Millilitern funktioniert das Ganze schon. „Wir haben bei unseren Tests bereits vielversprechende Ergebnisse gesehen“, sagt die Forscherin. Derzeit laufen die Planungen, wie solch ein hybrider Prototyp aussehen könnte. Ab Mitte 2020 soll es dann an die Umsetzung der Pläne dazu gehen. In den nächsten drei Jahren muss das Verfahren ausgiebig getestet werden. Wenn alles funktioniert, würde diese ergänzende Technologie die Herstellung von Impfstoffen noch einfacher machen. Schneller, effektiver und ohne Chemie.