Auf Zellkulturen basierende Virusimpfstoffe – Effiziente Zellaufschluss durch Ultraschallbehandlung

Häufig gestellte Fragen zur Ultraschall-Zellaufschlussmethode bei der Herstellung von viralen Impfstoffen

Was ist Ultraschall-Zellaufschluss?

Bei der Ultraschall-Zellaufschlussmethode wird hochintensiver Ultraschall, typischerweise im Bereich von 20 bis 30 kHz, eingesetzt, um Zellmembranen aufzubrechen und intrazelluläres Material freizusetzen. Hochleistungs-Ultraschallwellen erzeugen Kavitationsblasen in der Flüssigkeit. Wenn diese Blasen zusammenfallen, erzeugen sie lokal intensive Scherkräfte und Mikroströmungen, die die Zellen mechanisch aufbrechen und den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Medium fördern. Bei der Impfstoffherstellung wird dieses Verfahren genutzt, um virusinfizierte Zellkulturen zu lysieren und intrazelluläre sowie membrangebundene Viruspartikel in das Erntegut freizusetzen.

Warum sollte man zur Virusgewinnung die Ultraschallbehandlung anstelle der chemischen oder enzymatischen Lyse einsetzen?

Die Ultraschallbehandlung arbeitet mit rein mechanischen Kräften. Es sind keine Detergenzien, kein Lysozym, keine Proteinase K oder andere Lyse-Reagenzien erforderlich, die das Lysat verändern, die nachfolgende Reinigung beeinträchtigen oder vor der weiteren Verarbeitung entfernt werden müssten. Chemische Reagenzien erfordern in der Regel eine zeitaufwändige, mehrstufige Vorbereitung, um eine Hemmung nachfolgender Assays und anderer Nachbearbeitungsschritte zu verhindern. Die enzymatische Zellaufschluss erfordert lange Inkubationszeiten und liefert oft nicht reproduzierbare Ergebnisse. Die Ultraschalllyse vereint zudem die Schritte der Resuspension, Aufbrechung und Extraktion zu einem einzigen kontinuierlichen Vorgang. Wenn Ihr Prozess einen detergens- oder enzymgestützten Schritt erfordert, verstärkt die Ultraschallbehandlung diesen, anstatt ihn zu ersetzen: Die Kavitation schwächt die Membranen und sorgt für eine gleichmäßige Exposition aller Zellen gegenüber dem Reagenz.

Wie schneidet die Ultraschallbehandlung im Vergleich zu mechanischen Homogenisierungsverfahren ab?

Sonden-Ultraschallgeräte übertragen Ultraschallenergie direkt und effizient, da die Sonotrode in direktem Kontakt mit der Probe steht. Mechanisch angetriebene Homogenisierungsverfahren führen häufig zu einer geringeren Energieübertragungseffizienz. Bei der Ultraschallbehandlung werden keine Verbrauchsmaterialien wie Mahlperlen oder rotierende Dichtungen im Produktstrom benötigt, ebenso wenig wie Düsen oder Kammern, die durch viskose Zellmasse verstopfen können, und es kommt zu keiner Kreuzkontamination zwischen den Chargen.

Kann die Ultraschallbehandlung das Virus oder das Antigen schädigen?

Dies ist die zentrale Optimierungsaufgabe, und sie ist steuerbar. Durch die Anpassung der Parameter der Ultraschallbehandlung lassen sich die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung präzise steuern: Eine geringe Amplitude und eine kurze Behandlungsdauer haben sehr sanfte Auswirkungen, während hohe Amplituden, erhöhter Druck und eine längere Behandlungsdauer zu einer intensiven Behandlung führen. Da die Intensität genau auf die biologische Probe abgestimmt werden kann, werden eine Überbehandlung, ein Abbau und Ausbeuteverluste vermieden. In der Praxis werden Amplitude, Verweildauer und Anzahl der Durchläufe auf das Minimum eingestellt, mit dem die angestrebte Aufbrechrate erreicht wird, wobei die Temperatur kontinuierlich überwacht und gekühlt wird.

Verringert die Ultraschallbehandlung die Viskosität der Ernte?

Ja. Konzentrierte Erträge mit hoher Zelldichte sind viskos und lassen sich aufgrund der freigesetzten, unfragmentierten Wirtszell-DNA nur schwer pumpen. Die Ultraschallbehandlung zerschneidet und fragmentiert DNA und RNA, löst die Zellmasse auf und löst Zelltrümmer aus ihren Aggregaten. Das Ergebnis ist eine homogene, pumpfähige Suspension, die die Klärung, Zentrifugation und Chromatographie effizienter ermöglicht. Die Fragmentierung von DNA und RNA durch kontrollierte Ultraschallbehandlung ist eine etablierte Laboranwendung derselben Technologie.

Kann ich den Prozess im kontinuierlichen Inline-Modus ausführen?

Ja. Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den kontinuierlichen 24/7-Betrieb in industriellen Umgebungen ausgelegt und können mit Durchflusszellen und Reaktoren für die kontinuierliche Inline-Ultraschallbehandlung, für Rezirkulationsschleifen oder zur Integration in Produktionsmodule und Verarbeitungslinien konfiguriert werden. Sowohl Ein- als auch Mehrfachdurchlaufbetrieb sind möglich.

Wie schaffe ich den Übergang vom Labor zur Produktion?

Linear, basierend auf dem messbaren Energieeinsatz. Alle mit einem Hielscher-Ultraschallhomogenisator erzielten Ultraschallbehandlungsergebnisse lassen sich in der industriellen Fertigung linear auf höhere Durchsätze hochskalieren; die mit einem Tisch-Ultraschallgerät entwickelten Ultraschallparameter können direkt auf größere Hielscher-Anlagen übertragen werden. Das Kriterium für die Skalierung ist die spezifische Energiezufuhr pro Volumen in Verbindung mit Amplitude, Verweilzeit und Temperatur. Die Prozessberatung von Hielscher umfasst Empfehlungen zur Parameteroptimierung (Amplitude, spezifische Energie E/V, Verweilzeit, Temperatur- und Druckregelung) in Abhängigkeit von der messbaren Energiezufuhr.

Ist die Ultraschall-Zellaufschlussmethode für die Fertigung in Reinräumen und nach GMP-Richtlinien geeignet?

Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich problemlos in Reinraumlabors und Produktionsanlagen installieren. Die Gehäuse bestehen aus antibakteriellem Kunststoff oder Edelstahl. Alle medienberührten Teile, wie Sonotroden und Durchflusszellen, sind aus Titan oder Edelstahl gefertigt und autoklavierbar. Es sind spezielle Durchflusszellenreaktoren erhältlich, die den hohen Anforderungen an CIP (Clean-in-Place) und SIP (Sterilize-in-Place) entsprechen. Der Schallkopf der industriellen UIP-Serie entspricht der Schutzart IP64 und kann in anspruchsvollen Umgebungen installiert werden, während der Generator an einem entfernten Standort aufgestellt wird. Da Hielscher-Ultraschallgeräte elektrische Energie mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von ca. 80–90 % vom Netzstecker bis in die Flüssigkeit in mechanische Schwingungen umwandeln, kann der Schallkopf in geschlossene Gehäuse ohne Lüftungsschlitze eingebaut werden, und es ist keine Zwangskühlung wie Druckluft oder Wasser erforderlich. Dies bedeutet auch, dass kein Kühlmedium mit dem Prozess in Berührung kommt. Die automatische Prozessdokumentation unterstützt die Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit in der regulierten Fertigung.

Kann die Ultraschallbehandlung das Virus auch für einen inaktivierten Impfstoff inaktivieren?

Ja. Leistungsultraschall findet Anwendung bei der Inaktivierung von Krankheitserregern wie Bakterien und Viren. Mit der geeigneten Dosierung und Intensität der Ultraschallbehandlung können Zellen und Mikroben entsprechend dem Prozessziel behandelt werden, sodass dieselbe Plattform sowohl zur Lyse für die Gewinnung als auch zur Inaktivierung dient. Die Kombination aus Ultraschall und Wärme, bekannt als Thermo-Ultraschall, ermöglicht eine schnellere Sterilisation bei deutlich reduzierter thermischer Intensität und Dauer, was für den Erhalt hitzeempfindlicher Verbindungen wie Proteine und Antigene von Vorteil ist. Die Ultraschallinaktivierung wird in der Regel in Kombination mit etablierten chemischen Inaktivierungsverfahren eingesetzt, und die vollständige Inaktivierungskinetik muss für jedes spezifische Virus validiert werden.

Kann dasselbe System auch für die Verarbeitungsschritte nach der Ernte verwendet werden?

Ja. Dieselbe Plattform ermöglicht die Dispersion von Antigenen in Suspensionen, in Polymere oder liposomale Verkapselungen, die Desagglomeration und gleichmäßige Verteilung von Antigenen und Adjuvanzien auf Aluminiumbasis wie Alhydrogel™, die Formulierung von Impfstoffen in Liposomen und festen Lipid-Nanopartikeln unter präziser Steuerung der Trägergröße sowie den Entgasungsschritt vor der Abfüllung in Fläschchen oder Spritzen.