Strahlen für schonende Impfstoff-Produktion

Forschungs- und Versuchsanlage am Fraunhofer IZI. Für den Einsatz in der industriellen Impfstoffproduktion soll die Anlage später nur noch die die Abmessungen die Größe eines Kühlschranks haben. (Foto: Fraunhofer IZI)

Die Herstellung von Impfstoffen ist nicht einfach: Bei den Tot-Impfstoffen müssen die Krankheitserreger abgetötet werden, ohne deren Struktur zu verändern. Dazu kommen in den meisten Fällen giftige Chemikalien zum Einsatz. Das könnte sich schon bald ändern. Fraunhofer Forscher haben eine Technologie zur Impfstoff-Herstellung entwickelt, die ganz ohne die giftigen Chemikalien auskommt. Stattdessen werden Elektronenstrahlen genutzt. Damit lassen sich die Tot-Impfstoffe zudem schnell und reproduzierbar anfertigen.

Schnelle Impfstoff-Produktion schwierig

Impfungen gegen Kinderlähmung, Diphtherie, Keuchhusten und Tetanus gehören heute längst zum Standard-Programm beim Kinderarzt. Bei vielen Vakzinen handelt es sich um Tot-Impfstoffe. Zur Herstellung der Impfstoffe werden die Krankheitserreger in großer Zahl gezüchtet und durch Chemikalien abgetötet. Dazu wird meist das giftige Formaldehyd verwendet. Damit es dem Patienten bei der Impfung nicht schadet, wird es stark verdünnt.

Die niedrige Konzentration hat jedoch einige Nachteile: Das Gift muss meist mehrere Tage bis Wochen auf die Krankheitserreger einwirken. Das jedoch hat ungünstige Auswirkungen auf die Struktur der Erreger und auf die Reproduzierbarkeit der Impfstoffproduktion aus. Hinzu kommt, dass Formaldehyd in höheren Dosen verwendet wird, wenn Impfstoffe schnell produziert werden müssen. Das ist zum Beispiel bei Stoffen zur Influenza-Impfung der Fall. In diesem Fall muss eine aufwändige Filtration folgen. Reste der giftigen Chemikalien verbleiben trotzdem im Impfstoff.

Tot-Impfstoffe ohne Chemikalien-Reste

Hier setzt die Entwicklung der Fraunhofer-Forscher an. Damit können Pharmakonzerne Tot-Impfstoffe herstellen, die keinerlei Reste von 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 Verfahren von Forscherinnen und Forscher 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.

„Statt die Krankheitserreger mittels Chemikalien zu inaktivieren, nutzen wir niederenergetische Elektronenstrahlen“, sagt Martin Thoma, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA. Die DNA der Erreger wird durch die beschleunigten Elektronen über direkte Stöße aufgebrochen. Alternativ werden Sekundärelektronen erzeugt, die dann wiederum zu Doppel- oder Einzelstrangbrüchen führen. Hierbei wird die DNA der Krankheitserreger wird durch die Elektronen regelrecht zerschreddert, während die äußere Struktur der Erreger intakt bleibt. Das ist entscheidet, damit ein effektiver Immunschutz ausgelöst wird.

Strahlen effektiv einsetzen

Die Herausforderung dabei: Die Elektronen dringen nicht allzu tief in die Suspension mit den Krankheitserregern ein. Der Flüssigkeitspegel sollte deshalb nicht höher sein als 200 Mikrometer, um eine homogene Dosisverteilung zu erzielen. Damit das funktioniert, wurden am Fraunhofer IPA neue Techniken entwickelt. Bei der ersten Methode wird eine Rolle wird kontinuierlich mit der Erregersuspension benetzt und bestrahlt. Danach fließt die dann inaktivierte Flüssigkeit in ein steriles Gefäß. 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“, so Thoma. Der zweite Ansatz der Forscher ist vor allem für kleinere Mengen geeignet. Sie fallen zum Beispiel in der Forschung oder der Impfstoffentwicklung an. Die Lösung mit den Erregern in befindet sich hierbei in Beuteln, die mithilfe eines patentierten Verfahrens durch die Elektronenstrahlung geführt werden.

Das Know-how hinsichtlich der Elektronen-Bestrahlung stammt vom Fraunhofer FEP: Die Forscher entwickelten eine Anlage, die die niederenergetischen Elektronen exakt dosiert. Dadurch wird das das Erbgut der Erreger zwar zuverlässig zerstört, ihre Struktur bleibt jedoch erhalten. Dadurch wird gewährleitet, dass das menschliche Immunsystem die passenden Antikörper bilden kann.

Gespräche laufen

Das Verfahren funktioniert bereits. „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 sei bereits sehr nah an den Industriemaßstäben. Bei einigen Impfstoffen beispielsweise können schon jetzt aus 15 Litern Erreger-Suspension eine Million Impfstoffdosen hergestellt werden. Gespräche mit Industriepartnern laufen bereits. Allerdings wird es mindestens noch zwei Jahre dauern, bis die ersten mit Elektronenstrahlen hergestellten Impfstoffe in die klinische Prüfung kommen.