10.08.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Hydrogel hält Impfstoffe am Leben

ETH Zürich und Start-​up aus Colorado entwickeln eine Lösung für ein globales Problem

Viele Impfstoffe müssen während des Transports ständig gekühlt werden, damit sie wirksam bleiben. Ein internationales Forschungsteam unter Federführung der ETH Zürich hat nun ein spezielles Hydrogel entwickelt, das die Haltbarkeit von Impfstoffen auch ohne Kühlung massiv verbessert. Die Erfindung könnte Leben retten und die Kosten von Kühlketten senken.

Beinahe die Hälfte aller produzierten Impfstoffe landen im Abfall. Grund dafür sind oft logistische Hürden beim Transport in die verschiedenen Regionen der Welt. Die meisten Impfstoffe müssen von der Herstellung bis zur Verabreichung in den Arm von Patient:innen ununterbrochen gekühlt werden. Und die Temperatur entlang einer Kühlkette konstant zu halten, ist bereits unter optimalen Bedingungen ein Kunststück. In Subsahara-​Afrika und anderen Ländern des Südens ist dies jedoch kaum machbar, erschweren doch zum Beispiel die begrenzte Verkehrsinfrastruktur und die unzuverlässige Stromversorgung das Aufrechterhalten der Kühlkette und damit die Bereitstellung intakter Impfstoffe.

Wissenschaftler:innen der ETH Zürich und Unternehmer des Start-​ups Nanoly Bioscience aus Colorado haben deshalb eine sichere, vielseitige Plattform entwickelt, um die thermische Stabilität von Impfstoffen zu erhöhen. Ihr Ziel ist, die Verbreitung von intakten Impfstoffen massiv zu verbessern und die Kosten von Kühlketten zu senken.

Wie Tupperware für Proteine

«Stellen Sie sich das wie ein Ei vor», erklärt Bruno Marco-​Dufort, Doktorand im Labor für Macromolecular Engineering von ETH-​Professor Mark Tibbitt. «Bei Raumtemperatur oder im Kühlschrank behält das Ei seine zähflüssige Eiweissstruktur bei. In kochendem Wasser oder in der Bratpfanne ändert sich diese jedoch komplett.»

Ähnlich verhält es sich mit den Proteinen in einem Impfstoff: Sobald sie bestimmten Temperaturen ausgesetzt sind, verklumpen sie. Diese Verklumpungen lassen sich selbst dann nicht rückgängig machen, wenn der Impfstoff wieder in die Kühle kommt. «Man kann ein Ei auch nicht ‘entkochen’», betont Marco-​Dufort.

Der Forscher und sein Team entwickelten deshalb ein neuartiges Hydrogel, das vor Kurzem in der Fachzeitschrift Science Advances vorgestellt wurde. Das Gel basiert auf einem biokompatiblen, synthetischen Polymer namens PEG. Dieses bildet eine Schutzhülle um sehr grosse, komplexe Moleküle, wie Proteine in Impfstoffen, Antikörper oder solche in Gentherapien.

Die Verpackung funktioniert wie eine molekulare Tupperware, die die Proteine einkapselt und voneinander getrennt hält. Dadurch können Proteine grösseren Schwankungen in einem höheren Temperaturbereich standhalten. Anstelle des herkömmlichen Bereichs von zwei bis acht Grad Celsius, der in einer Kühlkette eingehalten werden muss, ermöglicht die Verkapselung, Proteine in einem Bereich von 25 bis 65 Grad Celsius aufzubewahren. Um die eingekapselten Substanzen am Einsatzort unkompliziert freizusetzen, kann dem Hydrogel eine Zuckerlösung beigegeben werden.

Verwendung in der Krebsforschung

Neben der Steigerung der Haltbarkeit von Impfstoffen liegt der Nutzen dieser neuen Hydrogel-​Technologie in der potenziellen Reduktion von Kosten im Zusammenhang mit der Kühlkette. «2020 betrug der Gesamtmarkt für Kühlkettendienstleistungen von der Herstellung bis zum Vertrieb 17,2 Milliarden Dollar, und es wurde mit einem weiteren Anstieg gerechnet», sagt Marco-​Dufort. Steigende Kosten können schwerwiegende Folgen für die öffentliche Gesundheit und das öffentliche Vertrauen haben, wenn Impfstoffe über eine beeinträchtigte Kühlkette zum Zielort gelangen.

«Die meisten Impfstoffe sind empfindlich gegen Hitze und Kälte. Dies stellt eine grosse Hürde für globale Impfkampagnen dar, da der Aufwand für die Impfstoffverteilung und die Verwaltungskosten die Produktionskosten übersteigen», erklärt Marco-​Dufort. Will man die Kühlkette verbessern und stärken, seien grosse Investitionen erforderlich. «Die Einkapselung ist hingegen eine kostensparende Lösung, sodass die Gelder dafür eingesetzt werden können, mehr Impfstoff zu produzieren – was mehr Leben retten könnte.»

Vor den Forschenden liegt allerdings noch ein weiter Weg. Damit das Hydrogel tatsächlich für den Transport von Impfstoffen eingesetzt werden kann, braucht es mehr Forschung sowie Sicherheits-​ und klinische Studien. Eine unmittelbare Anwendung ist dennoch möglich, und liegt zum Beispiel im Transport von hitzeempfindlichen Enzymen für die Krebsforschung oder von Proteinmolekülen für die Forschung im Labor.

Lösung für globales Problem

Während neue Biotechnologien und Kosteneinsparungen einen Schritt in die richtige Richtung sind, bestehen bei der Lösung der globalen Probleme im Zusammenhang mit einer gerechten Impfstoffverteilung noch immer enorme logistische, politische und sozioökonomische Herausforderungen. Trotzdem ist Marco-​Duforts Motivation ungebrochen. Seine Kindheit in der Demokratischen Republik Kongo hat ihn von der Notwendigkeit von Impfstoffen gegen Infektionskrankheiten überzeugt, nicht nur gegen Covid-​19, sondern auch gegen Kinderlähmung, Meningitis und Ebola. Er ist sich der enormen Herausforderungen bewusst, denen die Menschen in Subsahara-​Afrika beim Zugang zu Impfstoffen gegenüberstehen, wo verschiedene Infektionskrankheiten nach wie vor weit verbreitet sind.

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