Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZIImpfstoff-Technologien
Inaktivierung therapeutischer Immunzellen durch niederenergetische Elektronenbestrahlung
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung innovativer Bestrahlungsprozesse für die Herstellung moderner Zell- und Gentherapeutika.
Die niederenergetische Elektronenbestrahlung (engl. Low Energy Electron Irradiation - LEEI) ist ein Bestrahlungsverfahren, dass zur effizienten Inaktivierung von Krankheitserregern (zum Beispiel Viren und Bakterien) und eukaryotischen Zellen geeignet ist. Die Inaktivierung basiert dabei auf der Zerstörung der Erbinformationen (Nukleinsäuren).
Das Verfahren ist patentiert und am Fraunhofer IZI befindet sich ein weltweit einzigartiger Forschungsprototyp, mit dem diese Bestrahlungstechnologie weiterentwickelt und auf verschiedenste Anwendungen adaptiert werden kann.
Im Rahmen des Projekts wird die niederenergetische Elektronenbestrahlung für zwei konkrete Anwendungsszenarien evaluiert. Untersuchungsstand des ersten Anwendungsszenarios ist die Bestrahlung von Leukozyten als Alternativverfahren bei der extrakorporalen Photophorese, bei der aktuell die Zellen mit ultravioletter Strahlung unter Zusatz eines Photosensibilisators (lichtaktivierbarer Wirkstoff) behandelt werden. Diese Therapie findet beispielsweise Anwendung bei der Spender-gegen-Wirt-Krankheit, der Hauptkomplikationen nach allogener hämatopoetischer Zelltransplantation. Bei Verwendung der niederenergetischen Elektronenstrahlung ist der Wirkstoffzusatz, der mit Nebenwirkungen verbunden ist, nicht notwendig.
Die zweite Anwendung adressiert die Herstellung NK-Zell-basierter Immuntherapeutika. Anders als Zelltherapeutika aus T-Effektorzellen (zum Beispiel CAR-T Zellen) müssen Natürliche Killerzellen mithilfe von Feederzellen aufwendig ko-kultiviert werden, um die klinisch benötigten Mengen therapeutischer Zellen zu erreichen. Werden Feederzellen in GMP-Herstellprozessen eingesetzt, wird deren Wachstum üblicherweise aus Sicherheitsgründen durch Bestrahlungsverfahren inhibiert. Die Eignung der LEEI als alternative Inaktivierungsmethode für Feederzellen wird in diesem Projekt untersucht.
COX-SAVE – Entwicklung einer sicheren Q-Fieber-Vakzine für Wiederkäuer mittels Elektronenstrahl-inaktivierter Coxiellen
Coxiellose, auch bekannt als Q-Fieber, ist eine weltweit verbreitetes Problem bei der Haltung von Rindern und anderen Wiederkäuern. Die Krankheit wird durch das hochinfektiöse Bakterium Coxiella burnetii, verursacht und führt neben einer verringerten Milchleistung zu einem breiten Spektrum an Reproduktionsstörungen, inkl. Abort und der Geburt lebensschwacher Kälber.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Totimpfstoffes, der im Wirkungs- und Verträglichkeitsprofil bestehende Vakzine übertrifft. Durch die Verbesserung und Optimierung bestehender Impfstrategien, wird die Erkrankungshäufigkeit und der ungerichtete Einsatz von Antibiotika und anderer Arzneimittel reduziert und neben der Gesundheit die Leistungsfähigkeit von Nutzieren erhalten. Da es sich bei Q-Fieber um eine Zoonose handelt, wird neben der Verbesserung der Tiergesundheit, auch das Infektionsrisiko für den Menschen durch eine geringere Ausscheidung an Coxiellen in den Tierbeständen reduziert.
Die Entwicklung des neuartigen Totimpfstoffes basiert auf der von Fraunhofer entwickelten Technologie zur Inaktivierung von Pathogenen mittels niederenergetischer Elektronenbestrahlung. Die Bestrahlung der Krankheitserreger mit niederenergetischer Elektronenbestrahlung schädigt die genetische Information (Nukleinsäure) im Inneren des Erregers, während die Proteine und Antigene auf der Oberfläche für die Verwendung in Vakzinen weitestgehend intakt bleiben und verhindert so die weitere Vermehrung. Dies bietet die Möglichkeit einer spezifischeren Immunreaktion und damit eines verbesserten Impfstoffes. Zum anderen bietet der Einsatz des Nine-Mile Phase II-Stamms von Coxiella burnetii eine schnellere und kostengünstigere Inaktivierung des Erregers unter geringeren biologischen Sicherheitsstufen (BSL-2 statt BSL-3) im Vergleich zu anderen verfügbaren Vakzinen.
Neben der Technologie zur Inaktivierung der Pathogene bringt das Fraunhofer IZI seine infektionsbiologische Expertise zur Analyse, Charakterisierung und Qualitätssicherung der Impfstoffkandidaten in das Projekt ein.
Projektpartner
Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover; Friedrich-Loeffler-Institut Bundesforschungsinstitut für Tiergesundheit; Wirtschaftsgenossenschaft deutscher Tierärzte eG
Weitere Informationen
Entwicklung eines Impfstoffkandidaten gegen das West-Nil-Virus
Das West-Nil-Virus (WNV) ist ein zoonotisches Flavivirus, das von Stechmücken übertragen wird. Das Virus zirkuliert primär in Vögeln, kann aber auch auf Säugetiere wie den Menschen übertragen werden. Obwohl eine Infektion in den meisten Fällen von milden, erkältungsähnlichen Symptomen begleitet wird, kann sie besonders bei älteren oder immungeschwächten zu schweren neurologischen Symptomen führen. Bislang steht kein Impfstoff für den Menschen gegen das West-Nil-Virus zur Verfügung.
Das Hüllprotein (E) ist das wichtigste Ziel von neutralisierenden Antikörpern und daher von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Impfstoffen. Es befindet sich auf der Oberfläche des Virus und nimmt an verschiedenen Stellen des viralen Lebenszyklus eine zentrale Rolle ein, insbesondere beim Eindringen des Virus in die Wirtszellen.
Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung geeigneter Impfstoffkandidaten, ist die enge genetische Verwandtschaft des WNV mit anderen Flaviviren wie dem Zika-Virus oder dem Dengue-Virus, wodurch die jeweiligen E-Proteine in Sequenz und Struktur sich sehr ähneln. Die durch die Immunisierung gebildeten Antikörper können bei der Infektion mit anderen Flaviviren zu Kreuzreaktionen führen, die infektionsverstärkend sein können und mit schwereren Krankheitsverläufen assoziiert sind. Insbesondere in Regionen, in denen mehrere Flaviviren koexistieren, ist dies problematisch.
Ziel ist daher die Entwicklung von verbesserten Protein- und mRNA basierten Impfstoffkandidaten, unter Vermeidung von Kreuzreaktionen mit ähnlichen Viren.
Die meisten kreuzreaktiven Antikörper binden das E-Protein an einem Bereich, der nahezu identisch auch bei den meisten anderen Flaviviren vorkommt, der sogenannten Fusionsschleife. Ein Lösungsansatz ist daher, für die Immunisierung Antigene zu verwenden, bei denen dieser Bereich entweder mutiert oder gänzlich eliminiert wurde. In einem Tiermodell konnte gezeigt werden, dass entsprechende Antigene eine größtenteils schützende Immunantwort induzieren. Die Analyse der neutralisierenden Antikörper zeigte eine signifikant reduzierte Kreuzreaktivität mit anderen Flaviviren im Vergleich zum Wildtyp-Protein.
Potenzielle Infektionswege unterbrechen
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Das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie unterstützt Airbus bei der Entwicklung geeigneter Maßnahmen, um Flugzeugkabinen von viralen Erregern (wie SARS-CoV-2) zu befreien.
Elektronenstrahl-basierte Inaktivierung von Viren und Bakterien – Der Weg zur Marktreife
Übersicht des Kassettenprototyps mit Abmessungen (links), sowie der darunterliegende Stauraum im Trägermodul mit Platz für mehrere Flüssigkeitsbehälter (rechts unten) und die Integration beider Teile in die Bestrahlungskammer der Prototyp-Bestrahlungsanlage (rechts oben).
Die Herstellung von Tot-Impfstoffen beruht seit Jahrzehnten auf der Abtötung der Erreger durch Chemikalien. Obwohl dieses Verfahren für etliche Impfstoffe Verwendung findet, birgt es doch Probleme. Die verwendeten Chemikalien, wie z. B. Formaldehyd, sind umwelt- und gesundheitsschädlich und müssen entfernt werden, bevor ein Impfstoff daraus hergestellt werden kann. Zudem dauert der Inaktivierungsprozess oft mehrere Tage bis Wochen. Seit 2014 wird daher zusammen mit den Fraunhofer-Instituten IPA und FEP ein Ansatz verfolgt, der die Nutzung von schädlichen Chemikalien unnötig macht und die Erreger innerhalb von Millisekunden inaktiviert. Für diese Lösung erhielt das Team 2021 den Fraunhofer-Preis »Technik für den Menschen und seine Umwelt«. Bereits 2019 wurde die Technik an den Abfüllanlagenhersteller Bausch & Ströbel auslizensiert, aus der dann als Spin-Off die Firma KyooBe Tech GmbH hervorging, die die Weiterentwicklung bis zur Marktreife Ende 2023 übernimmt.
Im Zuge dessen wurden 2021 in einem gemeinsamen Konsortium Konzepte und Versuchsdurchführungen getestet, die für Herstellungsprozesse in der pharmazeutischen Industrie optimiert werden. So wurden mehrere Sensoren für unterschiedliche Prozessparameter, wie z. B. zur Messung der Temperatur integriert. Der aktuelle Kassettenprototyp ist komplett aus pharma-konformen Edelstahl gefertigt. Herzstück der Kassette ist eine Edelstahlrolle, über die ein dünner Flüssigkeitsfilm gefördert und über ein Bestrahlungsfenster mit niederenergetischen Elektronen bestrahlt wird. Ein Abstreifsystem entfernt anschließend die bestrahlte Flüssigkeit von der Edelstahlrolle und leitet diese in einen gesonderten Produktbehälter. Mit dem optimierten Kassettensystem können aktuell und abhängig vom Typ der Flüssigkeit zwischen 10 und 20 L/h an Durchsatz produziert werden. Dies stellt eine Steigerung um den Faktor 10 im Vergleich zu Vorsystemen dar. Die Kassette ist zudem auf einem Trägermodul montiert in dem ausreichend Platz für verschiedene Behälter und technisches Equipment vorhanden ist.
Ab 2024 sollen entsprechende Geräte dann kommerziell erhältlich sein. Diese werden dann um einiges kompakter ausfallen als der aktuelle Aufbau. Denkbar ist hier ein Gerät in der Größe eines Standardlaborkühlschranks. Der Fokus liegt dabei auf der Herstellung von Impfstoffen, allerdings ist eine Ausweitung auch auf andere Anwendungsbereiche wie z. B. die Reduktion von potenziellen Kontaminationen in biologischen Herstellungsprozessen oder die Herstellung von Zelltherapeutika möglich.
Fraunhofer-Preis »Technik für den Menschen und seine Umwelt« 2021
Für die Entwicklung dieses effizienteren, schnelleren und umweltfreundlicheren Vakzinherstellungsverfahrens erhält das Forschungsteam den Fraunhofer-Preis »Technik für den Menschen und seine Umwelt« 2021.
Presseinformation zur Preisverleihung / 5.5.2021
Wie die Inaktivierung von Viren und Bakterien durch niederenergetische Elektronenstrahlung funktioniert, zeigt dieses Erklärvideo.
Entwicklung eines antiviralen Wirkstoffkandidaten mit Breitbandwirksamkeit zur Behandlung bei Infektion mit West-Nil- und Zika-Flaviviren
Im Rahmen des Projekts FLAVICURE soll erstmals ein antiviraler Wirkstoff mit Breitbandwirksamkeit zur Behandlung von Infektionen entwickelt werden, die durch West-Nil- und Zika-Flaviviren verursacht werden. Diese Flaviviren werden durch Stechmücken auf Säugetiere und Menschen übertragen und verursachen schwere Krankheiten. Eine Ausbreitung infolge der Klimaerwärmung zeichnet sich ab, da sowohl die Ausbreitung wärmeliebender Vektoren, also Überträgern wie der Asiatischen Tigermücke, als auch die Entwicklung der Flaviviren im Vektor temperaturabhängig sind. Zudem wird das West-Nil-Virus auch durch in Mittel- und Nordeuropa heimische Mücken übertragen. Bislang fehlen Behandlungsmöglichkeiten und die einzige präventive Strategie ist der Schutz vor Mückenstichen.
Das Projekt FLAVICURE wird von der Protinhi Therapeutics aus Nijmegen, Niederlande, geleitet. Neben der Chimera Biotec GmbH ist das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI als Projektpartner beteiligt. Die Arbeitsgruppen Impfstoff-Technologien und Präklinische Validierung führen u.a. die Wirksamkeitsstudien der anitviralen Lead-Substanzen durch. Basierend auf der Wirksamkeit und Sicherheit soll anschließend der vielversprechendste Kandidat ausgesucht und in GMP-Entwicklungsstudien für die klinische Testung vorbereitet werden.
Das Projekt wird im Rahmen des Eurostars-Programm gefördert, einem themenoffenen Förderprogramm für kleine und mittlere Unternehmen, die im Rahmen der europäischen Forschungsinitiative EUREKA mit Partnern in anderen Mitgliedsländern gemeinsam Forschungs- und Entwicklungsprojekte durchführen (www.eurostars-eureka.eu).
Herstellung von Antigenen zur Entwicklung eines serologischen Tests für Zika-Viren und Dengue-Serotypen
Durch die zunehmende Globalisierung und Klimaerwärmung erlangt die Problematik Insekten-übertragener Virusinfektionen stetig neue Dimensionen. Die Gattung der Flaviviren umfasst eine Reihe von Viren, die überwiegend durch Arthropoden (Zecken und Stechmücken) auf Vögel und Säugetiere übertragen werden. Viele von ihnen verursachen Erkrankungen bei Tieren und Menschen. Darunter verschiedene Formen von Enzephalitis (u.a. FSME), Gelbfieber, Dengue-Fieber und West-Nil-Fieber. Da sich die Viren und deren Subtypen auf molekularer Ebene z. T. sehr stark ähneln, erschwert dies eine differentielle Diagnostik, welche jedoch essentielle Voraussetzung für eine gezielte Therapie ist.
Im Rahmen des Projekts soll ein System entwickelt werden, über das sich Infektionen mit den sehr eng verwandten Dengue- und Zika-Viren serologisch unterscheiden lassen. Das Projekt baut auf Multiplex-basierten Verfahren zu Diagnose von Vektor-übertragenen Virusinfektionen auf. Dabei sollen Lösungen in den Test integriert werden, durch die eine genaue Bestimmung des infizierenden Serotyps bei Dengue-Viren ermöglicht wird. Dazu werden am Fraunhofer IZI rekombinante Antigene entwickelt, um diese in bestehende Diagnoseverfahren zu integrieren und deren Spezifität signifikant zu verbessern.
