Von RNA-Impfstoffen, Gen-Kanonen und (winzigen) Fakirbrettern

Covid-19 beeinflusst nicht nur unser tägliches Leben, sondern hat auch die pharmazeutische Welt verändert. Die Pandemie hat zum einen die Brüchigkeit unserer Versorgungsketten mit Medikamenten und medizinischen Hilfsmitteln aufgezeigt und zum anderen nie dagewesene konzertierte Aktivitäten ausgelöst, um Therapeutika und vor allem einen wirksamen Impfstoff zu entwickeln. In der aktuellen Liste der WHO [1] finden sich derzeit (Stand 27.07.2020) 164 Projekte unter der Rubrik „Covid-19 Candidate Vaccines“.

Vor allem die Geschwindigkeit, mit der die Entwicklung vorangetrieben wird, ist ohne Beispiel. Bereits Mitte März 2020, zehn Wochen nach der ersten Publikation der Gensequenz des Virus, startete eine der beteiligten Firmen ihre erste Phase I-Studie. Inzwischen befinden sich schon 25 Projekte in der klinischen Prüfung am Menschen, fünf Unternehmen stehen sogar bereits in den Startlöchern für Phase III-Studien mit zehntausenden Probanden.

Unter den Impfstoffkandidaten sind alle bekannten Konzepte vertreten:

• inaktivierte bzw. abgetötete Viren,
• abgeschwächte Lebendviren,
• nicht vermehrungsfähige virusartige Partikel, praktisch die leere Virushülle,
• immunogene Peptide des Virus, z.B. Fragmente des oft genannten Spikeproteins,
• sogenannte Vektorimpfstoffe mit genetisch modifizierten, für uns harmlose Viren, die aber Teile des Covid-19-Erbmaterials enthalten und so Antigene produzieren,
• DNA-Impfstoffe, die unsere Körperzellen zur Produktion von Antigen bringen sollen,
• synthetisch erzeugte mRNA-Impfstoffe, die – einmal in den Wirtszellen angelangt – Antigene produzieren und so zur Bildung von Antikörpern gegen das Virus anregen sollen.

Vertreter der beiden letztgenannten Konzepte wurden zwar noch nie für die Anwendung am Menschen zugelassen, sind aber im Vergleich zu konventionellen Impfstoffen vermutlich schneller und in größeren Mengen herstellbar. So ist es kein Zufall, dass es sich in der Spitzengruppe der WHO-Liste bei 40­ % der Projekte um DNA- und vor allem RNA-Impfstoffe handelt. Die letztgenannten Kandidaten haben den Vorteil, dass sie nicht bis in den Zellkern gebracht werden müssen. Dennoch kann in der Regel nicht „nackte“ mRNA in den Muskel injiziert werden, da sie dort rasch abgebaut wird oder sogar eine ungewünschte Immunreaktion auslöst. Deshalb wird sie häufig entweder in mikroskopisch kleine Behälter, sogenannte Lipid-Nanopartikel, verpackt oder auf andere Weise appliziert.

Für erste Versuche vor 30 Jahren hatten die Forscher ballistische Verfahren aus der Pflanzengentechnik adaptiert und mit RNA beschichtete Goldpartikel von 1 µm bis 3 µm Durchmesser auf Gewebeproben abgefeuert. Auf diese Weise gelang es, das Genmaterial in die Zellen einzubringen und diese zur Produktion der gewünschten Proteine anzuregen [2].

Diese Technik der sogenannten Gen-Kanone wurde auch bei DNA-Impfstoffen angewandt und bescherte dem Bereich Pharma Services bei Harro Höfliger später eine der anspruchsvollsten Dosieraufgaben: Die Wissenschaftler der Firma Powderject und der Universität Oxford benötigten vordosierte Portionen von jeweils 1mg beschichtetem Goldpulver in kleinen Kassetten [3]. Leider war beim Start des Projekts nur die Zielmenge bekannt, nicht aber die Art und damit die Dichte des Pulvers. Die betrug nämlich mit über 8 g/ml ein Vielfaches im Vergleich mit „normalen“ pharmazeutischen Pulvern, so dass ein extrem geringes Dosiervolumen von nur 0,12 µl (0,12 mm³) realisiert werden musste, was schließlich mit dem Vakuum-Walzenfüller gelang.

Auch an anderen Projekten mit intradermal verabreichten Impfstoffen war man bei Harro Höfliger schon beteiligt und half, die Darreichungsformen herzustellen, zu dosieren oder in Devices zu transferieren. Genannt sei das von der damaligen Firma Glide (heute: Enesi) entwickelte Device, mit dem ein kleines angespitztes „Spaghettistückchen“ in die Haut eingebracht wird [4]. Bei mehreren Projekten mit Mikronadel-Arrays, also sehr kleinen „Fakirbrettern“ mit wirkstoffbeschichteten Nadeln, konnte Harro Höfliger ebenfalls einen Beitrag leisten, angefangen beim Titan-Array der Firma Macroflux (heute: Zosano) und ganz aktuell unter anderem für die Firma Vaxxas [6].

Diese Darreichungsformen haben nicht nur den Vorteil, dass in der Haut eine stärkere Immunantwort als im Muskelgewebe hervorgerufen wird. Sie tragen auch als „trockene“ Form zur Stabilität der Zubereitung bei. Letzteres gilt natürlich auch für Pulverformulierungen, welche nasal oder pulmonal gegeben werden. Als Spezialist für die Dosierung von inhalativen Pulvern wurde auch bei solchen Projekten mitgearbeitet, beispielsweise dem Masernimpfstoff-Projekt von ActivDry [7] oder dem Einzeldoseninhaler „Twincer“ vom Institut für Pharmazeutische Technologie der Universität Groningen [8].

Angesichts der weltweit anhaltenden hohen Corona-Infektionsraten bleibt zu hoffen, dass die ersten positiven Resultate der Impfstoffentwickler bestätigt werden. Viele Fragen sind insbesondere bei den RNA- und DNA-Impfstoffen noch ungeklärt, beginnend bei möglichen bisher unbekannten Nebenwirkungen und dem Scale-up der Produktionsverfahren. Wie auch immer das Rennen um einen effektiven Impfstoff und in der Folge um dessen Produktion und Verteilung ausgeht: Es ist zu befürchten, dass wir uns bis auf weiteres auf ein Leben mit Covid-19 einstellen müssen.

[1] WHO, Draft landscape of COVID-19 candidate vaccines, 28 July 2020 https://www.who.int/publications/m/item/draft-landscape-of-covid-19-candidate-vaccines  (zuletzt aufgerufen 28.07.2020)   

[2] Yang NS, Burkholder J, et al.. In vitro and in vivo gene transfer to mammalian cells by particle bombardment, Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1990) 87: 9568-9572

[3] Quinlan NJ, Kendall MAF, et al. Investigations of gas and particle dynamics in first generation needle-free drug delivery devices, Shock Waves (2001) 10: 395–404

[4] Potter Ch, Nabahi S. Solid pharmaceutical and vaccine dose, WO2008102136

[5] Matriano JA, et al. Macroflux® Microprojection Array Patch Technology: A New and Efficient Approach for Intracutaneous Immunization, Pharmaceutical Research (2002) 19: 63–70

[6] https://www.biospace.com/article/releases/harro-hofliger-and-vaxxas-announce-alliance-to-develop-industrial-scale-aseptic-processing-line-for-vaccine-products-based-on-vaxxas-high-density-microarray-patch-hd-map-/ (letzter Zugriff 26.07.2020)

[7] Kisich KO; et al. Dry powder measles vaccine: Particle deposition, virus replication, and immune response in cotton rats following inhalation. Vaccine (2011) 29: 905–912

[8] de Boer AH, Hagedoorn P. The role of disposable inhalers in pulmonary drug delivery. Expert Opin Drug Deliv (2015) 12(1):143-57

Von Dr. Karlheinz Seyfang