Durchflussmesser in der Herstellung von mRNA-Impfstoffe

Seit März 2020 befinden wir uns alle in einer Situation, die unser Leben verändert hat. Doch die Suche nach einem Heilmittel hat seit Ende 2020 die nächste Stufe erreicht: Ein Impfstoff wurde entwickelt. Die Nachricht, dass es endlich ein Licht am Ende des Tunnels gibt, verbreitete sich innerhalb weniger Tage rund um den Globus. Wir freuen uns sehr, dass auch wir bei Bronkhorst einen wichtigen Beitrag zur Herstellung großer Mengen der mRNA-Impfstoffe leisten dürfen.

Bestandteile eines mRNA-Impfstoffs

In mRNA-Impfstoffen kodieren mRNA's ein Protein, das für eine Krankheit spezifisch ist (Antigen). Lipid-Nanopartikel als Trägermaterial ermöglichen die Integration von mRNA in Zellen und verbessern die Stabilität des Impfstoffs. Die verimpfte mRNA in den Impfungen wird durch die Lipid-Nanopartikel vor dem Abbau geschützt, so dass diese in die Zellen gelangen und dort biochemische Reaktionen auslösen können. Zellen, in denen sich diese mRNA-Stränge befinden, lesen die Informationen und produzieren das Antigenprotein, das für die Immunreaktion verantwortlich ist.

Doch was genau sind die verschiedenen Bestandteile des Impfstoffs? Im Allgemeinen besteht der Impfstoff aus vier verschiedenen Komponenten: mRNA, Lipiden, Salzen und Zucker.

mRNA: Die "messenger-RNA" dient als Bote, der den Bauplan für das spezifische Spike-Protein des Virus in die Zellen überträgt. Sobald die Spike-Proteine von unseren Zellen hergestellt wurden, können unsere T-Zellen eine Immunreaktion gegen das so hergestellte Protein auslösen. Falls das Virus dann in den Körper eindringt, ist es für unser Immunsystem von großem Vorteil, die spezifischen Spike-Proteine bereits zu kennen.
Lipide: Die mRNA selbst ist nicht sehr stabil, weshalb sie andere Bestandteile benötigt, damit sie unbeschädigt in unsere Zellen übertragen werden kann. Deshalb enthält der Impfstoff verschiedene Arten von Lipiden, die dazu beitragen, die strukturelle Integrität des Impfstoffs zu erhalten.
Salze: Neben den Lipiden und der mRNA enthalten die Impfstoffe auch Salze, um einen physiologischen pH-Wert zu erreichen. Dies ist wichtig, da Substanzen mit einem falschen pH-Wert oder Säuregehalt die Zellen schädigen können.
Zucker: Die letzte Komponente ist Saccharose (Zucker), die die Nanopartikel im Impfstoff vor dem Zusammenkleben und Gefrieren schützt.

Wie wird der Impfstoff hergestellt?

Der Impfstoff besteht im Wesentlichen aus mRNA, die in Lipiden eingeschlossen ist. Um die mRNA mit Lipiden zu verkapseln, wird ein Lipid-Nanopartikel-Produktionssystem (LNP) verwendet. Die Lipidbeschichtung um die mRNA bietet Schutz vor Abbau und erhöht die Integration in die Zellen. Mit einem Impingement-Jet-Mixer von KNAUER Wissenschaftliche Geräte GmbH wird verdünnte mRNA-Lösung auf der einen Seite in die Jet-Mischkammer und Lipide auf der anderen Seite hineingepumpt, wo sie unter Druck zusammengemischt werden. Danach wird eine weitere Verdünnungsflüssigkeit hinzugefügt, um die Reaktion zu stoppen und so die Nanopartikel zu stabilisieren.

LNP-Skid (Quelle: KNAUER Wissenschaftliche Geräte GmbH)

Das Ergebnis sind Lipid-Nanopartikel. Im menschlichen Körper ermöglichen LNPs die Abgabe von Wirkstoffen an die Zielzellen, verkapseln sie und schützen so vor dem Abbau durch körpereigene Zellen. Für ein qualitativ hochwertiges LNP-Produktionssystem ist eine präzise Steuerung des Flüssigkeitsstroms unerlässlich, um einen schnellen und zuverlässigen Wechsel der Flüssigkeiten zu ermöglichen. Auch eine ausgeklügelte Mischtechnik ist für leistungsstarke LNP-Systeme erforderlich. Hierzu überwachen Durchflussmesser und Software den Pumpendurchfluss kontinuierlich. Sollten kritische Veränderungen festgestellt werden, bietet die Software die Möglichkeit der automatischen Kompensation. All diese Komponenten spielen eine entscheidende Rolle, um sicherzustellen, dass die mRNA sicher in unseren Körper transportiert wird. So kann der Schutz vor Krankheiten geschaffen werden, mit denen wir in Zukunft konfrontiert werden könnten oder mit denen wir derzeit konfrontiert sind.

Impingement Jet Mixing Skid (Quelle: KNAUER Wissenschaftliche Geräte GmbH)

Durchflussmesser in Impingement Jet Mixing Skids für die Impfstoffproduktion

Die Impingement Jet Mixing Skids von KNAUER bestehen aus Hochdruck-Dosierpumpen (HPLC-Pumpen), Coriolis-Durchflussmessern, IJM-Mischern, Einlassverteilern und Auslassleitungen, einem Waschsystem und einem Rahmen, der alle Komponenten miteinander verbindet. Diese Skids sind mit bis zu sechzehn Coriolis-Massendurchflussmessern ausgestattet. Die Coriolis-Technik bietet neben ihrer hohen Genauigkeit auch zahlreiche andere Vorteile für unsere Anwender. Zum einen ist die interne Oberflächenrauheit von <0,8 μm (MI140) sehr entscheidend, da es sich um eine Pharmaanwendung handelt. Andererseits ist ein geringes Totvolumen wichtig, um sicherzustellen, dass sich keine Partikel festsetzen und keine Rückstände entstehen. Dies wird durch unsere CORI-FLOW-Durchflussmesser erreicht, die direkte Massendurchflusssensoren verwenden, um die gerade genannten Probleme zu vermeiden. Die Möglichkeit, unsere Geräte mit einer Profinet-Schnittstelle auszustatten, bietet zudem die Option, die Geräte mit der Steuerung des Anwenders direkt zu verbinden. Neben unseren Durchflussmessern werden auch ES-FLOWs für das geregelte Spülen des Systems verwendet, um die Prozessleitungen zwischen den Anwendungen reinigen zu können. Mit den verschiedenen Durchflussmessern von Bronkhorst ist es nicht nur möglich, die Produktion von Impfstoffen in großem Maßstab zu unterstützen, sondern auch unsere Instrumente in der Forschungsphase einzusetzen, wo Durchflussmesser mit extrem niedrigen Durchflüssen benötigt werden.

Was wird die Zukunft bringen?

mRNA-basierte Impfstoffe sind im Vergleich zu herkömmlichen Impfstoffen schneller herzustellen, da nur ein Bauplan benötigt wird und kein Antigen, das eine lange Zeit in der Produktion bedarf. Der Erfolg der mRNA bei der Bekämpfung von COVID-19 sollte ein Ansporn sein, sie auch gegen andere Krankheiten wie Tollwut, Cytomegaloviren und Zika einzusetzen. In Zukunft könnte sich die Anpassungsfähigkeit von mRNA-Impfstoffen sogar als nützlich für die Entwicklung von Krebsmedikamenten erweisen. Durch die immer weiter ansteigende Anzahl an benötigten Impfdosen in der Welt und der Erforschung von weiteren Impfstoffen für andere Krankheiten, ist die Grundlage für viele weitere Produktionsanlagen für mRNA-Impfstoffe mit Lipid-Nanopartikeln gelegt.