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Das Problem temperaturempfindlicher Impfstoffe lösen

Der Transport und die Lagerung einiger Impfstoffe bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt könnten bald der Vergangenheit angehören. Neue Lipidforschung weist den Weg zur Stabilisierung von Impfstoffen bei Raumtemperatur.

Gesundheit

Wenn Impfstoffe Temperaturen außerhalb der empfohlenen Bereiche ausgesetzt werden, können sie ihre Stärke und Wirksamkeit verlieren. Ihre ordnungsgemäße Beförderung und Lagerung ist daher ein wichtiger Schritt, um Menschen erfolgreich gegen durch Impfstoffe vermeidbare Krankheiten zu immunisieren. Dies wird jedoch schwierig, wenn Impfstoffe gehandhabt werden, die bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufbewahrt werden müssen. Forschende der Technischen Universität Graz (TU Graz) in Österreich und der Universität von Texas in Dallas (UT Dallas) in den USA haben nun eine neue Technik demonstriert, die zur Lösung dieses Problems beitragen könnte. Die kostengünstige Methode wurde mit teilweiser Unterstützung des EU-finanzierten Projekts POPCRYSTAL entwickelt, das von der TU Graz koordiniert wird. Wie in der in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichten Studie beschrieben, werden kristalline Exoskelette um empfindliche Liposome und andere Lipidnanopartikel herum erzeugt, und dann bei Raumtemperatur für bis zu zwei Monate stabilisiert. Liposome und Lipidnanopartikel sind beide ausgezeichnete Vehikel zur Arzneimittelabgabe, die das Arzneimittel innerhalb einer schützenden äußeren Lipidschicht transportieren. Beide sind jedoch auch bei Raumtemperatur thermodynamisch instabil. Zwei COVID-19-Impfstoffe, die Lipidnanopartikel verwenden, sind die Impfstoffe von Moderna und Pfizer/BioNTech. „Die Kosten, diese Impfstoffe von der Herstellung bis zur Lieferung sehr kalt zu halten, stellen eine Herausforderung dar, die angegangen werden muss, insbesondere weil viele Länder nicht über eine ausreichende Infrastruktur verfügen, um diese Art von Kühlkette aufrechtzuerhalten“, erklärte der Mitautor der Studie, Dr. Jeremiah Gassensmith von der UT Dallas, in einem auf der Website der Universität veröffentlichten Artikel. „Obwohl wir die spezifischen Lipidnanopartikel, die in aktuellen COVID-19-Impfstoffen verwendet werden, nicht in diese Arbeit einbezogen haben, tragen unsere Ergebnisse zur Stabilisierung eines Lipidnanopartikels auf nie zuvor dagewesene Weise bei.“ Membranproteine finden sich in Lipiddoppelschichten, bei denen es sich um Zellmembranen handelt, die zwei Schichten von Lipidmolekülen aufweisen. Laut der Mitautorin Gabriele Meloni, ebenfalls von der UT Dallas, besteht eine der Forschungsherausforderungen darin, dass „sowohl Membranproteine als auch Lipiddoppelschichten sehr empfindlich und intrinsisch metastabil sind. Wir versuchen, sie zu kombinieren, um zu verstehen, wie diese Proteine funktionieren.” Sie erfordern auch eine sorgfältige Handhabung und müssen jedes Mal frisch zubereitet werden. „Sie können nicht über einen längeren Zeitraum gelagert werden und lassen sich nicht einfach an das Kollegium in anderen Labors versenden“, fügte Meloni hinzu.

System stabilisieren

Das Forschungsteam entwickelte eine Technik zur Stabilisierung dieses Lipidsystems und demonstrierte die Ergebnisse unter Verwendung von Transmembranproteinen – einer Art Membranprotein, das die gesamte Zellmembran überspannt. Sie mischten Liposomen mit zwei Chemikalien (Zinkacetatdihydrat und Methylimidazol) in einer Pufferlösung, was zur Bildung einer Kristallmatrix um jedes Liposom führte. „Wir glauben, dass die Lipide gerade stark genug mit dem Zink interagieren, um eine anfängliche Zink-Methylimidazol-Struktur zu bilden, die dann um die Lipidkugel wächst und diese wie ein Exoskelett vollständig umhüllt“, bemerkte Dr. Gassensmith. „Wir haben die Natur bei der Herstellung dieser völlig künstlichen Hülle sozusagen kooptiert, wodurch die Biomakromoleküle – die Lipide und Proteine – das Wachstum dieses Exoskeletts katalysieren.“ Um die Liposome freizusetzen und zu rekonstituieren, verwendete das Team Ethylendiamintetraessigsäure, ein starkes Zink-Chelat-Wirkstoffmittel, das in Medizin und Industrie weit verbreitet ist, da es Chelat-Metalle zur Bildung von stabilen wasserlöslichen Komplexen verwenden kann. Das Projekt POPCRYSTAL (Precisely Oriented Porous Crystalline Films and Patterns) zielt darauf ab, neuartige kristalline metallorganische Gerüstfilme und -muster mit präzise orientierten Nanoporen und Nanokanälen zu erzeugen. Weitere Informationen: POPCRYSTAL-Projekt

Schlüsselbegriffe

POPCRYSTAL, Lipid, Liposom, Impfstoff, Nanopartikel, Protein, COVID-19, Kühlkette

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15 September 2020