Inaktywować patogeny za pomocą elektronów o niskiej energii

Za bardziej wydajny, szybszy i przyjazny dla środowiska proces produkcji szczepionek otrzymują Państwo Nagrodę Fraunhofera „Technika dla człowieka i jego środowiska”: Frank-Holm Rögner, dr Sebastian Ulbert, dr Jasmin Fertey i Martin Thoma (od lewej do prawej). © Fraunhofer / Piotr Banczerowski / Nagroda Josepha von Fraunhofera za opracowanie procesu produkcji szczepionek, który jest szybszy, bardziej wydajny i bardziej przyjazny dla środowiska: Frank-Holm Rögner, dr Sebastian Ulbert, dr Jasmin Fertey i Martin Thoma (od lewej do prawej). © Fraunhofer / Piotr Banczerowski

Chemikalienfreie, sichere und schnellere Herstellung von Impfstoffen durch den Einsatz von Elektronenstrahlen. © Fraunhofer / Piotr Banczerowski / Wykorzystanie wiązek elektronów zapewnia, że produkcja szczepionek jest szybsza, bardziej niezawodna i wolna od chemikaliów. © Fraunhofer / Piotr Banczerowski

Obowiązkowe szczepienia są obecnie dużym nadzieją. W końcu mają pomóc w przygotowaniu społeczeństwa na COVID-19 i ułatwić powrót do normalnego życia. Chociaż obecnie główny nacisk kładzie się na koronawirusa – szczepionki przeciwko innym patogenom również są kluczowe. Zespół badawczy z trzech instytutów Fraunhofer opracował teraz wydajniejszą, szybszą i bardziej przyjazną dla środowiska produkcję szczepionek – i otrzymał za to Nagrodę Fraunhofer „Technika dla ludzi i jego środowiska”.

Metody produkcji szczepionek są znane od dziesięcioleci. Jednak dzięki nowej metodzie produkcji unieszkodliwionych „szczepionek inaktywowanych” można w przyszłości wytwarzać szczepionki nie tylko szybciej, ale także bardziej przyjazne dla środowiska, wydajne i tańsze niż dotychczas. W imieniu swoich zespołów, dr Sebastian Ulbert i dr Jasmin Fertey z Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI z Lipska, Frank-Holm Rögner z Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP z Drezna oraz Martin Thoma z Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA z Stuttgartu zostali wyróżnieni Nagrodą Fraunhofer „Technika dla ludzi i jego środowiska” 2021. Jury podkreśliło szczególnie „prostą i wydajną metodę, która w dużym stopniu zachowuje struktury istotne dla działania szczepionki i całkowicie rezygnuje z konieczności stosowania chemicznych dodatków”.

Przyspieszone elektrony zamiast chemii: zabijanie wirusów w milisekundach

Dotychczas produkcja szczepionek inaktywowanych opierała się na chemikaliach: patogeny są przechowywane z toksycznymi chemikaliami, głównie formaldehydem – aż do momentu, gdy informacja genetyczna wirusów zostanie całkowicie zniszczona i nie będą się one już rozmnażać. Mówi się na to inaktywacja. Jednak jest to problematyczne z wielu powodów: po pierwsze, chemikalia niszczą również część struktur zewnętrznych, które układ odpornościowy potrzebuje do wytwarzania przeciwciał. Ponadto, podczas przemysłowej produkcji szczepionek powstają duże ilości toksycznych chemikaliów, co stanowi wyzwanie dla bezpieczeństwa pracy i obciążenie dla środowiska. I co ważne: w zależności od wirusa, może to zająć tygodnie, a czasem nawet miesiące, zanim wirusy zostaną faktycznie „zabite”.

Nowatorskie podejście zespołu Fraunhofer omija wszystkie te wady. „Zamiast inaktywować wirusy za pomocą toksycznych chemikaliów, naświetlamy je elektronami”, wyjaśnia Ulbert. „Zewnętrzne warstwy wirusów pozostają prawie całkowicie nienaruszone, nie używamy chemikaliów, które trzeba zutylizować, a cały proces trwa tylko kilka sekund”. Wyzwaniem było to, że elektrony mogą penetrować tylko kilka setek mikrometrów w głąb cieczy, tracąc przy tym energię. Aby wirusy unoszące się w cieczy mogły być skutecznie wyeliminowane przez elektrony, warstwa cieczy nie może być grubsza niż około 100 mikrometrów – musi być także równomiernie transportowana. „Wymagało to zaawansowanej technologii urządzeń, dlatego zaangażowaliśmy w to Fraunhofer IPA”, opowiada Rögner.

Na drodze do zastosowania przemysłowego

Martin Thoma z Fraunhofer IPA opracował dwa podejścia, aby rozwiązać to wyzwanie. „Moduł woreczkowy nadaje się do wiarygodnych wstępnych prób, natomiast moduł rolkowy sprawdza się przy większych ilościach”, opisuje fizyk dyplomowany. Na tym urządzeniu Fertey badała między innymi wirusy grypy, Zika i opryszczki, a także liczne bakterie i pasożyty, które były poddawane obróbce za pomocą celowo przyspieszonych elektronów w modułach woreczkowym i rolkowym. „Udało nam się skutecznie i bezpiecznie unieszkodliwić wszystkie klasy patogenów”, cieszy się biolog.

Prototyp został ukończony w 2018 roku, uruchomiony w Centrum IZI Fraunhofer i dalej rozwijany. Już w kolejnym roku zespół badawczy pozyskał partnera licencyjnego i zawarł umowę na licencję o wartości prawie miliona euro. W ciągu około pięciu do siedmiu lat moduły produkcyjne wielkości lodówki mogą zostać zintegrowane z przemysłową produkcją szczepionek – szybko, przyjazne dla środowiska i wydajne.