So werden Impfstoffe wirksamer und günstiger

Ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat Partikel entwickelt, die die Verabreichung von mRNA-Impfstoffen optimieren. In ersten Versuchen führten sie zu einer vergleichbaren Immunantwort wie herkömmliche Lipidnanopartikel, benötigten dafür jedoch nur einen Bruchteil der üblichen Dosis. Dank der Nanopartikel könnten sich Impfstoffe effektiver und die Produktion kostengünstiger gestalten lassen.

Das Team um Daniel Anderson vom MIT Chemical Engineering Department stellte fest, dass mRNA-Grippeimpfstoffe bei Mäusen durch diese Partikel bereits bei einer Dosis von rund einem Hundertstel der bisherigen Menge die gleiche Wirkung zeigen. „Eine der Herausforderungen bei mRNA-Impfstoffen sind die Kosten“, betont Anderson. „Unser Ziel war es daher, Nanopartikel zu entwickeln, die eine sichere und wirksame Immunantwort ermöglichen, aber mit einer deutlich geringeren Dosis.“

Nanopartikel transportieren Impfstoffe effizienter in die Zellen

Ursprünglich testeten die Forschenden das Verfahren mit einem Grippeimpfstoff, doch die Technologie könnte ebenso für Covid-19 oder andere Infektionskrankheiten nutzbar sein. Neben Anderson waren Arnab Rudra, Akash Gupta und Kaelan Reed an der Studie beteiligt, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde. Sie wollen zeigen, dass Nanopartikel die Wirksamkeit und Sicherheit von Impfstoffen langfristig verbessern können.

Damit mRNA-Moleküle nach der Injektion nicht abgebaut werden, nutzen die Forschenden Lipidnanopartikel (LNP) als Trägersystem. Diese setzen die mRNA in die Zielzellen frei, wo sie in Virusproteine übersetzt wird. Das Team vom MIT konstruierte Partikel, die bei geringerer Dosis eine ebenso starke Immunantwort hervorrufen.

Nanopartikel für Impfstoffe: Chemische Struktur zeigt Wirkung

Klassische LNPs bestehen aus fünf wesentlichen Elementen: einem ionisierbaren Lipid, Cholesterin, einem Hilfsphospholipid, einem Polyethylenglykol-Lipid (PEG) sowie der mRNA selbst. Bei der neuen Entwicklung lag der Fokus auf dem ionisierbaren Lipid, das entscheidend für die Wirksamkeit ist. Durch gezielte chemische Veränderungen entstanden Varianten, die sowohl den Transport als auch den Abbau der Partikel verbessern.

Die Forschenden testeten zahlreiche neue Lipidstrukturen, die den Transfer von mRNA erleichtern sollten. Besonders effektiv zeigte sich ein Partikel, das das Luciferase-Gen transportierte und intensive Lichtsignale auslöste. Aus diesen Ergebnissen entwickelte das Team ein Modell für effizientere Impfstoffe, um die Transportwege biologisch besser zu steuern.

Durchbruch mit neuem Nanopartikel

Aus der Screening-Phase ging ein Partikel hervor, den die Forschenden AMG1541 nannten. Das Besondere an diesem Partikel: Er zeichnet sich durch einen verbesserten endosomalen Escape aus. Mit AMG1541 beobachteten die Forschenden, dass sich mRNA wesentlich effizienter in den Zellen freisetzte. Diese Eigenschaft machte AMG1541 zu einem Schlüssel für Impfstoffe. Zudem kann der Körper die Partikel rasch wieder ausscheiden, was zu einer Reduzierung möglicher Nebenwirkungen beiträgt.

Da die neuen Partikel nach dem Freisetzen ihres Inhalts vollständig abgebaut werden, ist die Verweildauer im Körper deutlich kürzer. Die Kombination aus erhöhter Wirksamkeit und besserer Abbaubarkeit macht diese Nanopartikel technologisch attraktiv und klinisch vielversprechend.

Bessere Wirksamkeit von Impfstoffen durch Nanopartikel bewiesen

Um die Eignung zu prüfen, testeten Forschende AMG1541 in einem Grippeimpfstoff und verglichen ihn mit einer herkömmlichen partikelbasierten Variante. Die Mäuse bildeten bei nur einem Hundertstel der Dosis dieselbe Antikörpermenge wie mit bisherigen Lipidnanopartikeln.

„Die Dosis ist fast hundertmal niedriger, aber es werden die gleichen Antikörpermengen gebildet“, erklärt Rudra. Sollte sich dieser Effekt auf den Menschen übertragen lassen, könnten auch Herstellungskosten erheblich sinken. Die Forschung zeigt damit, dass gezielt designte Nanopartikel in Zukunft zentrale Werkzeuge für effiziente Impfstoffplattformen werden könnten.

Zukunftsperspektiven und Anwendungen

Die Analyse ergab außerdem, dass AMG1541 seine Fracht besonders effektiv an sogenannte antigenpräsentierende Zellen überträgt. Diese regen weitere Immunzellen an, sich gezielt gegen das Antigen zu richten. Außerdem reichern sich die Partikel bevorzugt in den Lymphknoten an, wo viele Immunzellen konzentriert sind. Normalerweise werden Grippeimpfstoffe ein Jahr im Voraus hergestellt. Mit der neuen Methode wäre eine spätere Produktion möglich, und so auch eine genauere Prognose der tatsächlich zirkulierenden Virenstämme.

Die Methode könnte nicht nur für Influenza, sondern auch für Covid-19, HIV und andere Infektionen genutzt werden. Gupta vom MIT sieht in den Nanopartikeln eine Plattform, die viele Impfstofftypen verbessern kann. „Wir haben festgestellt, dass sie viel besser funktionieren als frühere Varianten.“ Ihr Potenzial reicht deshalb auch für andere, vor allem intramuskuläre verabreichte Impfstoffe.