Einmal impfen, mehrfach geschützt: Folgeimpfungen überflüssig

Forschende am MIT haben eine neuartige Impfstofftechnologie entwickelt, bei der Mikropartikel mehrere Impfstoffdosen zeitversetzt im Körper freisetzen. Ziel ist es, die Zahl notwendiger Folgeimpfungen zu verringern – insbesondere für Kinder in Regionen mit eingeschränkter medizinischer Versorgung. Erste Tierversuche mit einem Diphtherie-Impfstoff zeigen vergleichbare Antikörperreaktionen wie bei klassischer Zweifachimpfung. Die Methode könnte die Impfstoffverteilung weltweit deutlich vereinfachen.

Warum viele Kinder nicht vollständig geimpft sind

Weltweit sind laut WHO rund 20 % der Kinder nicht vollständig geimpft. Rund die Hälfte von ihnen erhält zumindest eine erste Dosis, aber nicht die gesamte Impfserie. Die andere Hälfte erhält gar keinen Impfschutz. In beiden Fällen besteht ein hohes Risiko für Erkrankungen, die eigentlich vermeidbar wären.

Schätzungen zufolge sterben jährlich etwa 1,5 Millionen Kinder an Infektionen, gegen die Impfstoffe verfügbar sind. Die Gründe sind vielfältig: unzureichende Infrastruktur, lange Wege zur nächsten Klinik oder fehlende Ressourcen.

Mikropartikel mit verzögerter Freisetzung

Ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun eine Technologie entwickelt, die das Potenzial hat, dieses Problem zu verringern. Dabei setzen die Forschenden auf winzige Partikel aus biologisch abbaubaren Polymeren, die ihre Wirkstoffe nicht sofort, sondern nach Wochen oder Monaten freigeben. Der Clou: Mit einer einzigen Injektion kann eine vollständige Impfserie abgedeckt werden.

„Das langfristige Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Impfstoffen, die den Zugang zu Impfungen verbessern – insbesondere für Kinder in Gebieten, in denen es schwierig ist, Gesundheitseinrichtungen zu erreichen“, erklärt Ana Jaklenec vom Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT. Gemeinsam mit Robert Langer leitet sie das Projekt.

Ein Impfstoff enthält Antigene – also abgetötete Erreger, abgeschwächte Viren oder Teile davon. Diese regen das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern an. Bei einer erneuten Infektion erkennt das Immunsystem den Erreger und kann schneller reagieren. Viele Impfstoffe benötigen mehrere Dosen, um einen langanhaltenden Schutz zu gewährleisten. Hier setzt die neue Technologie an: Sie übernimmt die Folgeimpfungen automatisch.

Testlauf mit Diphtherie-Impfstoff

In der aktuellen Studie konnten die Forschenden zwei Dosen eines Diphtherie-Impfstoffs kombinieren: eine sofortige Freisetzung und eine verzögerte Freisetzung nach zwei Wochen. Mäuse, die diesen Impfstoff erhielten, entwickelten vergleichbare Antikörperwerte wie Mäuse, die zwei separate Dosen im Zwei-Wochen-Abstand erhielten. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Das Team hofft, die Technik künftig für Impfstoffe mit längeren Zeitintervallen einsetzen zu können – beispielsweise für den Polio-Impfstoff, der über mehrere Monate hinweg verabreicht wird.

Polymertechnik aus der Medikamentenforschung

Bereits seit Jahren arbeitet das MIT-Team an Partikeln aus dem Polymer PLGA, das sich im Körper langsam abbaut. Ein Problem: Beim Abbau entsteht eine saure Umgebung, die den Impfstoff beeinträchtigen kann. In der neuen Studie setzten die Forschenden auf ein alternatives Material: Polyanhydride.

Diese Polymere zeichnen sich durch ihre Hydrophobie aus – sie stoßen Wasser ab und erzeugen beim Abbau eine weniger saure Umgebung. Das reduziert die Gefahr, dass der Impfstoff beschädigt wird. Die Forschenden testeten eine große Bandbreite an Polymerkombinationen und wählten sechs Kandidaten für die Entwicklung stabiler Partikel aus.

Präzision durch maschinelles Lernen

Um vorherzusagen, wie schnell sich ein Partikel im Körper auflöst, entwickelte das Team ein maschinelles Lernmodell. Es berücksichtigt verschiedene Parameter wie das Verhältnis der Monomere, das Molekulargewicht oder die Beladungskapazität. Mit diesem Werkzeug konnten fast 500 Varianten simuliert und ihre Freisetzungsdauer prognostiziert werden.

Zukünftig könnte das Modell dabei helfen, Impfstoffe zu entwickeln, die erst nach mehreren Monaten oder Jahren Wirkstoffe abgeben. So wäre ein Impfschutz über sehr lange Zeiträume mit nur einer Injektion möglich.

Die Herstellung der Partikel erfolgt über ein Verfahren namens SEAL (Stamped Assembly of Polymer Layers). Dabei werden mit Silikonformen becherartige Hohlkörper erzeugt, mit Impfstoff befüllt und anschließend mit einem Deckel aus dem gleichen Polymer verschlossen. Die Versiegelung erfolgt durch Wärme. Partikel, die zu spröde waren oder nicht zuverlässig abdichteten, wurden aussortiert.

Vielseitige Anwendungen möglich

Die Technologie lässt sich laut den Forschenden nicht nur auf Impfstoffe beschränken. Auch andere Medikamente, die empfindlich auf saure Bedingungen reagieren oder mehrfach verabreicht werden müssen, könnten davon profitieren. Jaklenec sagt dazu: „Diese Technologie hat ein breites Potenzial für Einmalimpfstoffe, könnte aber auch für die Verabreichung kleiner Moleküle oder anderer Biologika angepasst werden.“

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