Kühlung von COVID-Impfstoffen soll einfacher werden

Durch einen kleinen Zusatz zum mRNA-Impfstoff ließe sich das Vakzin rascher weltweit verteilen.

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(Bild: Mufid Majnun / Unsplash)

Von
  • Wudan Yan

Selbst wenn genügend Impfstoffe zur Verfügung stehen, sind zwei große Hürden zu nehmen: Lagerung und Verteilung. Einige Covid-Impfstoffe müssen die so genannte "Kühlkette" durchlaufen: egal ob im Flugzeug, Schiff oder Lastwagen, sie müssen überall gut gekühlt werden, manche sogar in mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kisten. Nur so lässt sich sicherstellen, dass die Impfstoffe nicht verderben, bevor sie zu den Menschen gelangen. Derzeit muss der Impfstoff von Pfizer bei -80 °C für die Langzeitlagerung aufbewahrt werden, der von Moderna bei -20 °C. Zum Vergleich: In Haushaltskühlschränke herrschen etwa 2 bis 4 °C.

"Das ist ziemlich herausfordernd", sagt Darrick Carter, wissenschaftlicher Leiter von HDT Bio. Das Biotechnologieunternehmen mit Sitz in Seattle entwickelt Impftherapien für Regionen, die bislang mit Vakzinen noch stark unterversorgt sind.

Einige Impfstoffe können schon heute bei Kühlschranktemperaturen lagern: Etwa die von Johnson & Johnson und AstraZeneca. Aber Boten-RNS-Impfstoffe (mRNA von englisch messenger-RNA) wie die von Pfizer und Moderna, die sich als etwas effektiver erwiesen haben und leichter zur Bekämpfung neuer Varianten modifiziert werden können, halten sich nur ein paar Stunden ohne Kühlung.

Diese Temperaturanforderungen sind vor allem in solchen Regionen problematisch, wo keine ultrakalten Gefrierschränke zur Verfügung stehen oder sogar nicht oder unzureichend mit Strom versorgt sind. Doch selbst reiche Länder wie die USA haben manchmal Probleme, die Impfstoffe ausreichend zu kühlen.

Wissenschaftler und Ingenieure versuchen nun, diese Hürden zu umgehen, indem sie an ein paar Stellschrauben bei der Produktion des Impfstoffes drehen.

Dazu kurz einen Blick darauf, warum die m-RNA-Impfstoffe überhaupt so kalt gelagert werden müssen. Eine mRNA ist eine einzelsträngige Nukleinsäure, die den Körperzellen Anweisungen gibt, welche Eiweiße sie herstellen sollen. Mit entsprechenden Anpassungen kann sie dem Körper auch „sagen“, wie er Krankheiten bekämpfen soll, einschließlich Covid-19. Solche mRNA-Stränge sind wesentliche Bestandteile von Impfstoffen wie denen von Pfizer und Moderna. Aber sie sind sehr fragil: Ohne eine Art Schutzhülle werden die mRNAs in einem Impfstoff schnell abgebaut. Um das zu verhindern, schließen die Impfstoffhersteller diese mRNAs in schützende „Blasen“ ein.

Gegenwärtig ist diese Blase ein Lipid-Nanopartikel, im Grunde genommen ein winziges Fetttröpfchen. Es kostete Drew Weissman, einen der Pioniere der mRNA-Impfstofftechnologie, mehr als zehn Jahre und etwa 40 verschiedene Formeln, bis er herausfand, dass diese Lipid-Nanopartikel am besten funktionieren. Sie verhinderten nicht nur, dass sich die Nukleinsäure abbaut, sondern das Immunsystem reagierte auch stärker.

Als Weissman und seine Kollegen vor etwa sechs Jahren begannen, mRNA-Impfstoffe zu testen, war bereits klar, dass diese Lipid-Nanopartikel sehr kalt gelagert werden mussten. Denn um Fette einzufrieren, braucht man deutlich mehr Energie als Wasser in Eis zu verwandeln. "Die 80 Grad waren notwendig, damit sich die Fetttröpfchen während der Lagerung nicht zersetzen, verklumpen oder miteinander verschmelzen", sagt Weissman.

Pharmafirmen testeten verschiedene Lagertemperaturen in der Hoffnung, sie etwas zu erhöhen. Moderna prüfte, wie sich sein Impfstoff verhält, wenn er länger bei nur minus 20 Grad gelagert wird. Das Ergebnis: Das Vakzin blieb bis zum Verfallsdatum der Dosis stabil. Pfizer und BioNTech dagegen haben ihren Impfstoff erst vor kurzem bei minus 20 Grad geprüft. Doch schon Ende Februar hat die US Food and Drug Administration den Impfstoff auch für die Lagerung bei dieser Temperatur für bis zu zwei Wochen zugelassen.

"Je thermostabiler [ein Impfstoff oder ein pharmazeutisches Produkt], desto besser, weil das den Druck von den Kühlketten nimmt ", sagt Pat Lennon von PATH. Die gemeinnützige globale Gesundheitsorganisation setzt sich für Chancengleichheit im Gesundheitssektor ein.

Um das zu erreichen, so Weissman, verändern einige Impfstoffentwickler den Anteil von Zucker in den von ihnen verwendeten Formeln. Zucker kann die Fetttröpfchen ummanteln - wie Mehl den Brotteig - und so verhindern, dass die Lipid-Nanopartikel zusammenkleben. Dann bleiben die Dosen stabil und können länger verwendet werden.

An einem anderen Ansatz tüftelt gerade HDT Bio. Zusammen mit Deborah Fuller, einer Mikrobiologin der University of Washington, arbeitet das Biotechunternehmen in Seattle an einer modifizierten Art von Schutzblase für die mRNAs. Hätte ihre Methode Erfolg, könnte ein mRNA-Impfstoff für Covid-19 in einem normalen Kühlschrank mindestens einen Monat lang oder bei Raumtemperatur bis zu drei Wochen lang stabil bleiben. Ihre Methode: Anstatt die mRNA in einem Lipid-Nanopartikel zu verpacken, haben sie Moleküle entwickelt, die als anorganische Lipid-Nanopartikel (LION) bezeichnet werden. Der anorganische Teil der LIONs ist ein positiv geladenes Metallpartikel - bisher Eisenoxid. Das positiv geladene Metall würde sich an die negativ geladene mRNA binden, die sich dann um die LIONs wickelt. Heraus kämen recht stabile Partikel, die nicht mehr auf so starke Kühlung angewiesen sind.

HDT Bio entwickelte die LIONs zunächst zur Behandlung von Leberkrebs und Tumoren im Kopf- und Halsbereich. Doch als die Pandemie ausbrach, begann das Unternehmen, die Partikel mit mRNA-Impfstoffen zu testen. Frühe präklinische Versuche mit Affen zeigten, dass die LIONs in Kombination mit einem mRNA-Impfstoff für Covid-19 wie erhofft funktionierten.

Carter von HDT Bio sagt, dass die LIONs im Idealfall im Voraus an Kliniken in aller Welt geschickt werden könnten, um bei Raumtemperatur oder in einem normalen Kühlschrank gelagert zu werden. Treffen dann die Impfstoffe ein, könnten die Mitarbeiter sie direkt vor Ort damit vermischen. Alternativ könnte bereits der Produzent die beiden Substanzen vormischen. In jedem Fall hielten sich die Impfstoffdosen mit dieser Methode mindestens einen Monat lang in einem normalen Kühlschrank.

HDT Bio hat die Genehmigung für klinische Versuche am Menschen in den USA beantragt und möchte noch dieses Frühjahr mit klinischen Versuchen in Indien beginnen. In den USA steht das Unternehmen vor einigen bürokratischen Hürden: Denn laut FDA-Bestimmungen werden die LION-Partikel als ein vom Impfstoff getrenntes Medikament betrachtet. Die Behörden in Brasilien, China, Südafrika und Indien - wo HDT Bio hofft, sein Produkt auf den Markt zu bringen - betrachteten die LION-Partikel nicht als Arzneimittel, weil sie keine aktive Komponente seien, sagt Carter.

Im Moment allerdings, gibt Michael Mitchell zu bedenken, befinde sich die Technologie noch in einem frühen Stadium. Der Bioingenieur an der Universität von Pennsylvania beschäftigt damit, wie Medikamente im Körper transportiert werden und an ihren Wirkungsort kommen. Wichtig sei nun weitere Forschung, inwieweit das Eisenoxid im Inneren der LIONs irgendwelche Nebenwirkungen verursache.

(bsc)