Tokaraze: Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2021: Impfstoffe effektiver herstellen – Messen + Testen

Der Joseph-von-Fraunhofer-Preis »Technik für den Menschen und seine Umwelt« an ein Forscherteam aus drei Fraunhofer-Instituten. Sie haben eine neue Methode entwickelt, um Vakzine schneller, effizienter und umweltfreundlicher herzustellen.

Zwar liegt der Fokus für die Impfstoffproduktion derzeit klar auf dem Corona-Virus und damit auch auf den neuen mRNA-Impfstoffen, aber auch die klassischen »Tot-Impfstoffe« sind nach wie vor ein wichtiges Werkzeug gegen das Corona-Virus und auch gegen zahlreiche andere Krankheitserreger.

Mit einem neuen Verfahren zur Produktion inaktivierter Tot-Impfstoffe lassen sich Vakzine künftig »schneller, umweltfreundlicher, effizienter und kostengünstiger herstellen als bisher«, berichtet das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP). Stellvertretend für ihre Forschungsgruppen werden Dr. Sebastian Ulbert und Dr. Jasmin Fertey vom Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI aus Leipzig, Frank-Holm Rögner vom Fraunhofer 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. Es ist ein gemeinsamer Preis der Fraunhofer-Gesellschaft mit seinen ehemaligen Vorständen und Institutsleitern und der Fraunhofer-Exzellenzstiftung »Technik für den Menschen und seine Umwelt«. Er ist mit 50.000 Euro dotiert und 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. Bei der Begründung der diesjährigen Preisvergabe stellte die Jury »die einfache und effiziente Methode, die für die Impfstoffwirkung wichtigen Strukturen weitgehend zu erhalten und auf sonst notwendige chemische Zusätze vollständig zu verzichten« in den Vordergrund.

Neben diesem Preis verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft drei weitere Preise für angewandte Forschung - die Preisträger sind in diesem Beitrag beschrieben.

Viren mit Elektronen abtöten

Auf den ersten Blick haben Forschungsinstitute für Zelltherapie, Elektronenstrahltechnik und Produktionstechnik wenig gemeinsam. Die Zusammenarbeit ergab sich aus der neuen Methoden zur Impfstoffherstellung. Bisher werden Tot-Impfstoffe durch Inaktivierung hergestellt. Dabei werden die Krankheitserreger mit toxischen Chemikalien, vor allem Formaldehyd, so lange gelagert, bis die Erbinformation der Viren gänzlich zerstört ist und sie sich nicht mehr vermehren können. Der Vorgang dauert allerdings, abhängig vom Virustyp, Wochen bis Monate. Zwei weitere Probleme sind, dass die Chemikalien auch einen Teil der Außenstrukturen zerstören, die das Immunsystem benötigt, um Antikörper zu bilden und dass bei der Impfstoffherstellung im industriellen Maßstab große Mengen der toxischen Chemikalien zusammenkommen. Das ist eine Herausforderung für die Arbeitssicherheit und eine Belastung für die Umwelt.

»Statt die Viren über toxische Chemikalien zu inaktivieren, beschießen wir sie mit Elektronen«, erklärt Dr. Ulbert. Dabei bleibe die Außenhülle der Viren fast vollkommen intakt. »Wir haben keine Chemikalien, die entsorgt werden müssen, und der ganze Prozess dauert nur einige Sekunden.« Die größte Hürde für die Umsetzung der Methode ist die geringe Eindringtiefe von Elektronen in Flüssigkeit. Sie beträgt lediglich einige hundert Mikrometer. Sollen Viren in der Flüssigkeit durch Elektronen zuverlässig abgetötet werden, darf der Flüssigkeitsfilm nicht dicker als etwa 100 Mikrometer sein – zudem muss er gleichmäßig transportiert werden. Um die nötige Anlagentechnik zu entwickeln, entstand die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA.

Bill & Melinda Gates Foundation als Investor

Am Fraunhofer IPA entwickelte die Arbeitsgruppe um Martin Thoma zwei Ansätze zur Inaktivierung: »Das Beutelmodul eignet sich für aussagekräftige Vorversuche, das Rollenmodul dagegen punktet bei größeren Mengen«. An diesem Aufbau untersuchte Dr. Fertey vom Fraunhofer IZI verschiedene Viren - unter anderem FSME-, Influenza- und Herpes - sowie zahlreiche Bakterien, die via Beutel- und Rollenmodul mit gezielt beschleunigten Elektronen behandelt wurden. »Wir konnten alle Erregerklassen erfolgreich und sicher inaktivieren«, resümiert die Biologin.

Auf die Entwicklung ist auch die Bill & Melinda Gates Foundation aufmerksam geworden und investierte 1,84 Millionen US-Dollar in die Entwicklung eines Prototyps im Industriemaßstab. Er wurde 2018 fertiggestellt, am Fraunhofer IZI in Betrieb genommen und weiterentwickelt. Im Folgejahr gewann das Forscherteam einen Lizenzpartner und schloss Lizenzerträge im Wert von knapp einer Million Euro ab. In etwa fünf bis sieben Jahren könnten die kühlschrankgroßen Herstellungsmodule in die pharmazeutische Produktion integriert werden und Impfstoffe produzieren.