Infectieus maken met energiearme elektronen

Voor een efficiënter, sneller en milieuvriendelijker productieproces van vaccins ontvangen zij de Fraunhofer-prijs »Techniek voor de mens en zijn omgeving«: Frank-Holm Rögner, Dr. Sebastian Ulbert, Dr. Jasmin Fertey en Martin Thoma (v.l.n.r.). © Fraunhofer / Piotr Banczerowski / Toegekend de Joseph von Fraunhofer-prijs voor het ontwikkelen van een vaccinemakeringsproces dat sneller, efficiënter en milieuvriendelijker is: Frank-Holm Rögner, Dr. Sebastian Ulbert, Dr. Jasmin Fertey en Martin Thoma (van links naar rechts). © Fraunhofer / Piotr Banczerowski

Chemikalievrij, veilig en snellere productie van vaccins door het gebruik van elektronenstralen. © Fraunhofer / Piotr Banczerowski / Het gebruik van elektronenstralen zorgt ervoor dat de productie van vaccins sneller, betrouwbaarder en vrij van chemicaliën is. © Fraunhofer / Piotr Banczerowski

Vaccins zijn momenteel grote hoopgevers. Ze moeten helpen om de samenleving te wapenen tegen COVID-19 en de weg terug naar een normaal leven te effenen. Hoewel de focus momenteel duidelijk ligt op het coronavirus – zijn vaccins tegen andere ziekteverwekkers eveneens essentieel. Een team van onderzoekers van drie Fraunhofer-instituten heeft nu een productieproces voor vaccins ontwikkeld dat efficiënter, sneller en milieuvriendelijker is in vergelijking met de gebruikelijke methoden – en ontvangt daarvoor de Fraunhofer-prijs »Techniek voor de mens en zijn milieu«.

De manieren om vaccins te produceren zijn al tientallen jaren bekend. Maar met een nieuwe methode voor de productie van geïnactiveerde »dode vaccins« kunnen vaccins in de toekomst niet alleen sneller, maar ook milieuvriendelijker, efficiënter en goedkoper worden geproduceerd dan voorheen. Als vertegenwoordiger van hun teams worden Dr. Sebastian Ulbert en Dr. Jasmin Fertey van het Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI uit Leipzig, Frank-Holm Rögner van het Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP uit Dresden, evenals Martin Thoma van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA uit Stuttgart, in 2021 onderscheiden met de Fraunhofer-prijs »Techniek voor de mens en zijn milieu«. De jury benadrukt vooral »de eenvoudige en efficiënte methode, die de voor de werking van het vaccin belangrijke structuren grotendeels behoudt en volledig afziet van chemische toevoegingen die anders nodig zouden zijn«.

Versnelde elektronen in plaats van chemie: virussen in milliseconden doden

Tot nu toe is de productie van dode vaccins gebaseerd op chemicaliën: de ziekteverwekkers worden opgeslagen met giftige chemicaliën, vooral formaldehyde – totdat de genetische informatie van de virussen volledig is vernietigd en ze zich niet meer kunnen vermenigvuldigen. Dit wordt inactivatie genoemd. Dit is echter op meerdere manieren problematisch: ten eerste vernietigt het chemische middel ook een deel van de buitenstructuren die het immuunsysteem nodig heeft om antistoffen te vormen. Bovendien komen bij de industriële productie van vaccins grote hoeveelheden giftige chemicaliën vrij, wat een uitdaging vormt voor de arbeidsveiligheid en een belasting voor het milieu. En: afhankelijk van het virus kan het weken, soms zelfs maanden duren voordat de virussen daadwerkelijk »dood« zijn.

De nieuwe aanpak van het Fraunhofer-team komt zonder al deze nadelen. »In plaats van de virussen te inactiveren met giftige chemicaliën, beschieten wij ze met elektronen«, legt Ulbert uit. »De buitenkant van de virussen blijft daarbij bijna volledig intact, we gebruiken geen chemicaliën die moeten worden afgevoerd, en het hele proces duurt slechts enkele seconden.« De uitdaging die moest worden overwonnen: elektronen kunnen slechts enkele honderden micrometers diep in vloeistoffen doordringen, waarbij ze geleidelijk aan energie verliezen. Om de in de vloeistof zwevende virussen betrouwbaar te doden met de elektronen, mag de vloeistoffilm dus niet dikker zijn dan ongeveer 100 micrometer – bovendien moet deze gelijkmatig worden getransporteerd. »Daarvoor was geavanceerde installatietechniek nodig, daarom hebben we het Fraunhofer IPA erbij betrokken«, vertelt Rögner.

Op weg naar industriële toepassing

Bij het Fraunhofer IPA ontwikkelde Martin Thoma twee benaderingen om de uitdaging op te lossen. »Het zakje-module is geschikt voor betrouwbare voorproeven, het rollen-module scoort bij grotere hoeveelheden«, beschrijft de natuurkundige. Aan deze opstelling onderzocht Fertey onder andere influenza-, Zika- en herpesvirussen, evenals talrijke bacteriën en parasieten, die via het zakje- en rollenmodule met gericht versnelde elektronen werden behandeld. »We konden alle ziekteverwekkers succesvol en veilig inactiveren«, verheugt de bioloog zich.

De prototype werd in 2018 voltooid, in gebruik genomen bij het Fraunhofer IZI en verder ontwikkeld. Al in het volgende jaar verwierf het onderzoeksteam een licentiepartner en verwerkte contractueel licentie-inkomsten van bijna een miljoen euro. In ongeveer vijf tot zeven jaar kunnen de koelkastgrote productiemodules worden geïntegreerd in de farmaceutische productie en vaccins produceren – snel, milieuvriendelijk en efficiënt.