Erreger in Millisekunden inaktivieren

Impf­stoffe sind derzeit ein gro­ßer Hoff­nungs­träger. Schließ­lich sol­len sie dabei helfen, die Ge­sell­schaft gegen COVID-19 zu wapp­nen und den Weg zu­rück in ein nor­males Leben zu eb­nen. Zwar liegt der Fokus derzeit klar auf dem Corona-Virus – doch sind Impf­stoffe gegen andere Krank­heitser­reger eben­falls ele­mentar. Ein For­scher­team aus drei Fraun­hofer-Institu­ten hat nun eine, im Ver­gleich zur her­kömmli­chen Herstel­lung, ef­fizien­tere, schnel­lere und umwelt­freundli­che Pro­duktion von Vak­zinen entwi­ckelt – und er­hält da­für den Joseph-von-Fraun­hofer-Preis.

Die Wege, Impf­stoffe zu produ­zieren, sind seit Jahr­zehnten bekannt. Doch mit einem neuen Verfah­ren zur Produk­tion inak­tivierter Tot-Impf­stoffe lassen sich Vak­zine künftig nicht nur schnel­ler, son­dern auch um­welt­freundli­cher, ef­fizienter und kos­tengüns­tiger her­stellen als bis­her. Stell­ver­tretend für ihre Teams werden Dr. Se­bastian Ul­bert und Dr. Jasmin Fertey vom Fraun­hofer-Insti­tut für Zell­therapie und Im­munolo­gie IZI aus Leipzig, Frank-Holm Rögner vom Fraun­hofer-Institut für Orga­nische Elektro­nik, Elektro­nen­strahl- und Plas­matech­nik FEP aus Dres­den, so­wie Mar­tin Thoma vom Fraun­hofer-Institut für Pro­dukti­ons­technik und Au­tomati­sierung IPA aus Stuttgart mit dem Fraun­hofer-Preis „Technik für den Men­schen und seine Umwelt“ 2021 ausge­zeichnet. Die Jury betont insbe­sondere „die ein­fache und effi­ziente Me­thode, die für die Impf­stoffwir­kung wichti­gen Struktu­ren weit­gehend zu er­hal­ten und auf sonst notwen­dige che­mische Zusätze voll­stän­dig zu ver­zich­ten“.

Bis­lang ba­siert die Herstel­lung von Tot-Impf­stoffen auf Che­mikalien: Die Krank­heitser­reger wer­den mit toxi­schen Chemika­lien, vor allem Formal­dehyd, gelagert – so lange, bis die Erb­informa­tion der Viren gänzlich zerstört ist und sie sich nicht mehr vermeh­ren kön­nen. Man spricht dabei von In­ak­tivierung. Dies ist aller­dings in mehrfa­cher Hin­sicht proble­matisch: Zum ei­nen zer­stört die Chemi­ka­lie auch einen Teil der Außen­struktu­ren, die das Im­munsys­tem be­nötigt, um die Antikör­per zu bilden. Außer­dem kommen bei der Impf­stoffher­stellung im in­dustriel­len Maß­stab große Mengen der toxi­schen Chemika­lien zu­sammen, eine Her­ausfor­derung für die Arbeitssi­cherheit und eine Be­las­tung für die Um­welt. Und: Je nach Vi­rus kann es Wo­chen, mitunter sogar Monate dauern, bis die Viren tat­sächlich „abgetö­tet“ sind.

Der neuar­tige An­satz des Fraun­hofer-Ex­perten­teams kommt ohne all diese Nachteile aus. „Statt die Viren über to­xische Chemika­lien zu inaktivie­ren, be­schießen wir sie mit Elektro­nen“, er­läutert Ulbert. „Die Au­ßenhülle der Vi­ren bleibt dabei fast voll­kommen intakt, wir ha­ben keine Chemika­lien, die entsorgt werden müssen, und der ganze Prozess dauert nur ei­nige Se­kunden.“ Die Hürde, die zu meistern war: die Elektro­nen kön­nen nur wenige hundert Mikro­meter tief in Flüssig­keiten eindrin­gen, wo­bei sie zu­neh­mend an Energie verlie­ren. Sol­len in der Flüssig­keit um­her­schwim­mende Viren durch die Elektro­nen zu­verläs­sig abgetö­tet wer­den, darf der Flüs­sigkeits­film also nicht di­cker als etwa 100 Mikro­meter sein – zu­dem muss er gleich­mäßig transpor­tiert wer­den. „Da­für war eine an­spruchs­volle An­lagen­technik vonnö­ten, aus diesem Grund haben wir das Fraun­hofer IPA mit ins Boot ge­holt“, er­zählt Rög­ner.

Am Fraun­hofer IPA entwi­ckelte Martin Thoma gleich zwei An­sätze, um die Heraus­forde­rung zu lösen. „Das Beu­tel­modul eignet sich für aussage­kräftige Vorver­suche, das Rol­lenmodul dagegen punktet bei grö­ßeren Men­gen“, be­schreibt der Dip­lom-Phy­siker. An diesem Aufbau unter­suchte Fertey unter an­derem FSME-, In­fluenza- und Her­pes-Vi­ren so­wie zahl­reiche Bakte­rien, die via Beu­tel- und Rollen­modul mit ge­zielt be­schleu­nigten Elektro­nen be­han­delt wurden. „Wir konnten alle Erre­gerklas­sen er­folgreich und si­cher in­aktivie­ren“, freut sich die Biolo­gin.

Das Potenzial der Ent­wicklung erkannte auch die Bill & Melinda Gates Founda­tion – und in­vestierte kur­zer­hand 1,84 Mil­lionen US-Dollar in die Entwick­lung ei­nes Pro­totyps im Indust­rie­maß­stab. Die­ser wurde 2018 fer­tig­ge­stellt, am Fraun­hofer IZI in Be­trieb ge­nommen und wei­terent­wi­ckelt. Be­reits im Folgejahr gewann das For­scher­team ei­nen Li­zenzpart­ner und sicherte vertrag­lich Li­zen­zer­träge von knapp ei­ner Mil­lion Euro. In etwa fünf bis sie­ben Jahren könnten die kühl­schrank­großen Herstel­lungs­mo­dule in die phar­mazeuti­sche Pro­duktion integriert wer­den und Impf­stoffe produ­zieren – schnell, umwelt­freund­lich und effi­zient.

Der gemein­same Preis der Fraun­hofer-Gesell­schaft und der ehemali­gen Vor­stände und Insti­tutsleiter der Fraun­hofer-Gesell­schaft gemein­sam mit der Fraun­hofer-Ex­zellenz­stiftung „Technik für den Men­schen und seine Umwelt“ wird alle zwei Jahre für For­schungs- und Ent­wick­lungsleis­tungen verge­ben, die maßgeb­lich dazu beigetra­gen ha­ben, die Lebens­qualität der Men­schen zu verbes­sern, de­ren Leis­tungsfä­higkeit im tägli­chen Le­ben und bis ins Al­ter zu er­halten sowie für eine ge­sün­dere Umwelt zu sor­gen. Der Preis ist mit 50 000 Euro do­tiert.

Fraunhofer Gesellschaft / LK