Impfstoffe auf Abruf - der mobile Impfstoffdrucker

Es ist nicht immer einfach, Impfstoffe zu den Menschen zu bringen, die sie benötigen. Viele Impfstoffe müssen gekühlt gelagert werden, was es schwierig macht, sie in entlegene Gebiete zu transportieren, die nicht über die notwendige Infrastruktur verfügen. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine mögliche Lösung für dieses Problem gefunden: einen mobilen Impfstoffdrucker, mit dem Hunderte von Impfstoffdosen an einem Tag hergestellt werden könnten.

Diese Art von Drucker, der auf eine Tischplatte passt, könnte überall dort eingesetzt werden, wo Impfstoffe benötigt werden, so die Forscher.

"Wir könnten eines Tages eine Impfstoffproduktion auf Abruf haben", sagt Ana Jaklenec, Forscherin am Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT. "Wenn zum Beispiel in einer bestimmten Region Ebola ausbricht, könnte man ein paar dieser Drucker dorthin schicken und die Menschen dort impfen

Der Drucker stellt Pflaster mit Hunderten von Mikronadeln her, die den Impfstoff enthalten. Das Pflaster kann auf die Haut geklebt werden, so dass sich der Impfstoff auflöst, ohne dass eine herkömmliche Injektion erforderlich ist. Einmal gedruckt, können die Impfpflaster monatelang bei Raumtemperatur gelagert werden.

In einer kürzlich in Nature Biotechnology veröffentlichten Studie haben die Forscher gezeigt, dass sie mit dem Drucker thermostabile COVID-19-RNA-Impfstoffe herstellen können, die bei Mäusen eine vergleichbare Immunreaktion hervorrufen wie injizierte RNA-Impfstoffe.

Jaklenec und Robert Langer, Professor am David H. Koch-Institut des MIT und Mitglied des Koch-Instituts, sind die Hauptautoren der Studie. Die Hauptautoren der Studie sind der ehemalige MIT-Postdoc Aurelien vander Straeten, der ehemalige MIT-Absolvent Morteza Sarmadi '21 und der Postdoc John Daristotle.

Impfstoffe drucken

"Als wir mit COVID-19 begannen, motivierte uns die Sorge um die Stabilität des Impfstoffs und den Zugang zu ihm dazu, zu versuchen, RNA-Impfstoffe in Mikronadelpflaster einzubauen" - John Daristotle

Die meisten Impfstoffe, auch mRNA-Impfstoffe, müssen gekühlt gelagert werden, was es schwierig macht, sie auf Vorrat zu lagern oder an Orte zu schicken, an denen diese Temperaturen nicht eingehalten werden können. Außerdem benötigen sie Spritzen, Nadeln und geschultes medizinisches Fachpersonal, um sie zu verabreichen.

Um dieses Hindernis zu überwinden, suchte das MIT-Team nach einer Möglichkeit, Impfstoffe auf Abruf zu produzieren. Bevor COVID-19 auf den Markt kam, bestand die ursprüngliche Motivation darin, ein Gerät zu bauen, mit dem Impfstoffe bei Ausbrüchen von Krankheiten wie Ebola schnell hergestellt und eingesetzt werden können. Ein solches Gerät könnte in ein abgelegenes Dorf, ein Flüchtlingslager oder einen Militärstützpunkt transportiert werden, um eine schnelle Impfung einer großen Anzahl von Menschen zu ermöglichen.

Anstatt herkömmliche injizierbare Impfstoffe herzustellen, entschieden sich die Forscher für eine neue Art der Impfstoffverabreichung, die auf Pflastern von der Größe eines Daumennagels basiert, die Hunderte von Mikronadeln enthalten. Solche Impfstoffe werden derzeit für viele Krankheiten entwickelt, darunter Polio, Masern und Röteln. Wenn das Pflaster auf die Haut geklebt wird, lösen sich die Spitzen der Nadeln unter der Haut auf und geben den Impfstoff frei.

"Als COVID-19 ins Leben gerufen wurde, haben uns Bedenken hinsichtlich der Impfstoffstabilität und des Zugangs zu Impfstoffen dazu veranlasst, zu versuchen, RNA-Impfstoffe in Mikronadelpflaster zu integrieren", sagt Daristotle.

Die "Tinte", mit der die Forscher die impfstoffhaltigen Mikronadeln bedrucken, enthält RNA-Impfstoffmoleküle, die in Lipid-Nanopartikel eingekapselt sind, wodurch sie über lange Zeiträume stabil bleiben.

Die Tinte enthält außerdem Polymere, die sich leicht in die richtige Form bringen lassen und dann wochen- oder monatelang stabil bleiben, selbst wenn sie bei Raumtemperatur oder höher gelagert werden. Die Forscher fanden heraus, dass eine 50/50-Kombination aus Polyvinylpyrrolidon und Polyvinylalkohol, die beide üblicherweise zur Herstellung von Mikronadeln verwendet werden, die beste Kombination aus Steifigkeit und Stabilität aufweist.

Im Inneren des Druckers spritzt ein Roboterarm Tinte in die Formen für die Mikronadeln, und eine Vakuumkammer unter der Form saugt die Tinte bis zum Boden ab, um sicherzustellen, dass die Tinte bis zu den Spitzen der Nadeln reicht. Sobald die Formen gefüllt sind, dauert es ein bis zwei Tage, bis sie getrocknet sind. Der aktuelle Prototyp kann 100 Pflaster in 48 Stunden herstellen, aber die Forscher gehen davon aus, dass künftige Versionen eine höhere Kapazität haben könnten.

Antikörperreaktion

Um die langfristige Stabilität der Impfstoffe zu testen, stellten die Forscher zunächst eine Tinte her, die RNA enthält, die für Luziferase, ein fluoreszierendes Protein, kodiert. Die daraus resultierenden Mikronadelpflaster wurden Mäusen appliziert, nachdem sie bis zu sechs Monate lang entweder bei 4 °C oder bei 25 °C (Raumtemperatur) gelagert worden waren. Außerdem lagerten sie eine Charge der Partikel einen Monat lang bei 37 °C.

Unter all diesen Lagerungsbedingungen lösten die Pflaster eine starke Fluoreszenzreaktion aus, wenn sie auf Mäuse aufgetragen wurden. Im Gegensatz dazu nahm die Fluoreszenzreaktion, die durch eine herkömmliche intramuskuläre Injektion der für das fluoreszierende Protein kodierenden RNA erzeugt wurde, mit zunehmender Lagerdauer bei Raumtemperatur ab.

Anschließend testeten die Forscher ihren COVID-19-Mikronadel-Impfstoff. Sie impften Mäuse mit zwei Dosen des Impfstoffs im Abstand von vier Wochen und maßen dann ihre Antikörperreaktion auf das Virus. Mäuse, die mit dem Mikronadelpflaster geimpft wurden, zeigten eine ähnliche Reaktion wie Mäuse, die mit einem herkömmlichen, injizierten RNA-Impfstoff geimpft wurden.

Die Forscher sahen auch die gleiche starke Antikörperreaktion, als sie Mäuse mit Mikronadelpflastern impften, die bis zu drei Monate lang bei Raumtemperatur gelagert worden waren.

"Diese Arbeit ist besonders aufregend, da sie die Möglichkeit bietet, Impfstoffe nach Bedarf herzustellen", sagt Joseph DeSimone, Professor für translationale Medizin und Chemieingenieurwesen an der Stanford University, der nicht an der Forschung beteiligt war. "Mit der Möglichkeit, die Impfstoffherstellung zu skalieren und die Stabilität bei höheren Temperaturen zu verbessern, können mobile Impfstoffdrucker den breiten Zugang zu RNA-Impfstoffen erleichtern."

Während sich diese Studie auf COVID-19-RNA-Impfstoffe konzentrierte, planen die Forscher, das Verfahren für die Herstellung anderer Arten von Impfstoffen anzupassen, einschließlich Impfstoffen aus Proteinen oder inaktivierten Viren.

"Die Zusammensetzung der Tinte war der Schlüssel zur Stabilisierung von mRNA-Impfstoffen, aber die Tinte kann verschiedene Arten von Impfstoffen oder sogar Medikamente enthalten, was eine flexible und modulare Verabreichung mit dieser Mikronadel-Plattform ermöglicht", sagt Jaklenec.