Ultraschalllösungen für eine verbesserte Impfstoffproduktion

• Die Ultraschallbehandlung wird in verschiedenen Schritten der Impfstoffherstellung eingesetzt: zur Zelllyse, zur Homogenisierung von Zellsuspensionen, zur Stimulierung des Zellwachstums, zur Verkapselung, zur Proteinbindung an Adjuvanzien usw.
• Ultraschallgeräte von Hielscher werden bei der Antigenproduktion, Verkapselung und Formulierung sowie zur Entgasung vor der Abfüllung des Impfstoffs in Fläschchen oder Spritzen eingesetzt.
• Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjähriger, erfahrener Partner für zuverlässige Ultraschallsysteme in der Pharmaindustrie. Erfahren Sie, in welchen Prozessschritten der Impfstoffherstellung Ultraschall Ihre Produktion verbessern kann!

Herstellung von Impfstoffen

Eine Ultraschallbehandlung kann in verschiedenen Phasen der Impfstoffproduktion von Vorteil sein. Zur Herstellung eines Impfstoffs wird zunächst das Antigen selbst hergestellt. Je nach Art des Krankheitserregers unterscheidet sich das Verfahren zur Antigengewinnung: Während Viren entweder auf Primärzellen wie Hühnereiern (z. B. für Influenza) oder auf kontinuierlichen Zelllinien wie kultivierten menschlichen Zellen (z. B. für Hepatitis A) vermehrt werden, werden Bakterien in Bioreaktoren kultiviert (z. B. Haemophilus influenzae Typ b). Rekombinante Proteine, die von Viren oder Bakterien abgeleitet wurden, können auch in Hefen, Bakterien oder Zellkulturen erzeugt werden. Nach seiner Herstellung muss das Antigen aus den Zellen freigesetzt werden, in denen es erzeugt wurde.
Ein Virus muss gegebenenfalls inaktiviert werden, wobei möglicherweise keine weitere Reinigung erforderlich ist. Rekombinante Proteine erfordern zahlreiche Verarbeitungsschritte, darunter Ultrafiltration und Säulenchromatographie. Je nach Impfstoffformulierung werden ein Adjuvans, Stabilisatoren und Konservierungsmittel zugesetzt. Adjuvanzien verstärken die Immunantwort auf das Antigen, Stabilisatoren und Konservierungsmittel verlängern die Haltbarkeit.
Bei der Impfstoffherstellung kann die Beschallung in verschiedenen Phasen eingesetzt werden. Als nichtthermisches Verarbeitungsverfahren vermeidet sie den hitzebedingten Abbau wertvoller Materialien. Nachfolgend finden Sie die häufigsten Anwendungen, bei denen Ultraschall die Herstellung von Impfstoffen verbessert:

Dispergierung von Antigenen

Antigene wie Zellfragment- oder Proteinantigene müssen homogen in einer Suspension, einem Polymer oder einem liposomalen Verkapselungssystem dispergiert werden, um eine stabile Impfstoffformulierung zu erhalten. Die Beschallung hat sich bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte seit Langem zur Erzeugung feiner Dispersionen bewährt und ist daher ein etabliertes Verfahren in der modernen Impfstoffproduktion.
Aluminiumbasierte Adjuvanzien, die aus sehr kleinen Primärpartikeln bestehen, sind eine häufig verwendete Art von Adjuvanzien, die sich in Impfstoffformulierungen leicht zu einer funktionellen Einheit aggregieren lassen. Um Adjuvanzien mit Antigenen zu kombinieren, ist eine gleichmäßige Verteilung des Antigens im gesamten aluminiumhaltigen Impfstoff erforderlich. Die Ultraschalldispergierung erzeugt homogene Dispersionen von Antigenen und Adjuvanzien (z. B. Alhydrogel™).

Zelllyse und Extraktion

Die von Mikroorganismen produzierten Antigene müssen aus der mikrobiellen Zelle freigesetzt werden. Die Beschallung ist eine bewährte Technologie zur Zelllyse und Extraktion. Durch Anpassung der Beschallungsparameter können Zellen perforiert oder aufgeschlossen werden, sodass die gewünschten Antigene zugänglich werden und isoliert werden können.
Erfahren Sie, wie die Beschallung die Virusfreisetzung bei zellkulturbasierten Virusimpfstoffen erleichtert!

Inaktivierung von Krankheitserregern

Leistungsultraschall wird eingesetzt, um Mikroorganismen wie Bakterien und Viren aufzuschließen und abzutöten. Beispielsweise hat sich die Ultraschallinaktivierung von E. coli mit anschließender Bestrahlung als wirksamstes Verfahren zur Herstellung eines effektiven Impfstoffs gegen Colibacillose erwiesen. [Melamed et al. 1991]
Häufig eingesetzte Verfahren zur mikrobiellen Inaktivierung sind die thermische Pasteurisierung und Sterilisation, die auf einer langen Einwirkung hoher Temperaturen beruhen und häufig zu einer thermisch bedingten Verschlechterung funktioneller Eigenschaften führen. Eine kombinierte Behandlung mit Ultraschall und Wärme (Thermosonikation) kann die Sterilisation beschleunigen; da die Intensität und Dauer der Wärmeeinwirkung deutlich reduziert werden, thermischer Abbau hitzeempfindlicher Verbindungen (z. B. Proteine, Antigene). Die Ultraschallsterilisation und -pasteurisierung ist kosteneffizient, energiesparend und umweltfreundlich.

Emulsionen und Suspensionen

Impfstoffformulierungen können aus Wasser-Lipid-Gemischen bestehen. Da Wasser und Lipide in diesen Formulierungen nicht mischbar sind, muss eine feindisperse Emulsion hergestellt werden, indem entweder die Oberflächenspannung der Tröpfchen überwunden oder ein Tensid eingesetzt wird. Die Ultraschallemulgierung ist ein etabliertes Verfahren zur Formulierung von Nanoemulsionen / Miniemulsionen, Doppelemulsionen und Pickering-Emulsionen. Beispielsweise können wasserunlösliche Lipopeptide zusammen mit einem Antigen im Verhältnis 1:1 (w/w) mittels Ultraschall in einer wässrigen Lösung suspendiert werden.
Darüber hinaus wird die Beschallung eingesetzt, um Zellaggregate zu verkleinern und die einzeln dispergierten Zellen gleichmäßig in der Suspension zu verteilen.

Adjuvanzien und Konservierungsmittel

Impfstoffe enthalten in der Regel ein oder mehrere Adjuvanzien, die zur Verstärkung der Immunantwort eingesetzt werden. Durch die Ultraschallbehandlung werden Adjuvans-Mikrofasern entwirrt und homogen dispergiert, sodass die Proteinbindung an der Oberfläche verbessert wird. Emulsionsbasierte Adjuvanssysteme werden häufig bei der Entwicklung und Formulierung von Impfstoffen eingesetzt. Solche emulsionsbasierten Adjuvanssysteme können mit verschiedenen Emulsionstypen formuliert werden, beispielsweise Öl-in-Wasser-Emulsionen (o/w), Wasser-in-Öl-Emulsionen (w/o), Wasser-in-Öl-in-Wasser-Emulsionen (w/o/w) oder proteinstabilisierten Emulsionen.
Darüber hinaus werden Konservierungsmittel zugesetzt, um eine Kontamination des Impfstoffs mit Bakterien oder Pilzen zu verhindern. Konservierungsmittel können in verschiedenen Phasen der Impfstoffherstellung eingesetzt werden.
Der Einsatz von Ultraschallhomogenisatoren fördert ein gleichmäßigeres und feineres Mischen und Dispergieren und ist damit ein zuverlässiges Mittel für eine effizientere Impfstoffproduktion.

Formulierung und liposomale Verkapselung

In Liposomen verkapselte Impfstoffe können oral, intranasal, intramuskulär und subkutan verabreicht werden und stellen eine vorteilhafte Methode zur Impfstoffverabreichung sowie ein Adjuvans dar, das die gezielte Verabreichung verbessern und die Toxizität der eingeschlossenen Antigene verringern könnte. Die Beschallung ist ein zuverlässiges Verfahren zur Verkapselung von Wirkstoffen in liposomalen Formulierungen. Lesen Sie hier mehr über die ultraschallgestützte Formulierung von Liposomen!
Zur Formulierung eines veterinärmedizinischen Impfstoffs gegen die Newcastle-Krankheit stellten Zhao et al. (2011) beispielsweise kleine unilamellare Vesikel (SUV) aus Phosphatidylcholin/Cholesterin unter Beschallung her. Der mittels Ultraschall verkapselte Impfstoff zeigte eine verstärkte Immunantwort, höhere IgG- und IgM-Antikörpertiter sowie eine Proliferation von T- und B-Zellen.

Entgasung pharmazeutischer Suspensionen

Während der Impfstoff- und Arzneimittelproduktion sowie vor dem Verpacken müssen Impfstoffe und Flüssigkeiten wie Suspensionen, Lösungen, Emulsionen und fertige Formulierungen entgast werden. Bei der Entgasung / Entlüftung werden in der Flüssigkeit eingeschlossene Gasblasen (z. B. Sauerstoff, Kohlendioxid) entfernt. Ultraschallwellen fördern die Koaleszenz der in Flüssigkeiten eingeschlossenen Gasblasen. Die zusammengeflossenen Blasen haben einen höheren Auftrieb und steigen an die Flüssigkeitsoberfläche. Das Entfernen von Gasblasen kann verbessert werden, wenn im Beschallungsgefäß ein leichter Unterdruck angelegt wird. Die ultraschallgestützte Entgasung ist ein einfaches und schnelles Verfahren zur Entlüftung wässriger Suspensionen.

Verstärktes Zellwachstum

Die ultraschallbedingte Durchmischung während der Inokulation (dem Einbringen von Mikroorganismen in ein Kulturmedium) kann das Wachstum von Zellkulturen steigern. Die Beschallungsintensität, die Temperatur und die Verweilzeit in Ultraschallbioreaktoren von Hielscher lassen sich exakt auf den Zelltyp und dessen Anforderungen abstimmen.
Beispielsweise kann eine milde Beschallung eingesetzt werden, um die Glucoseaufnahme der Zellen zu erhöhen und dadurch das Wachstum von Zellkulturen und Zellsuspensionen zu fördern. Ultraschall erhöht bekanntermaßen die Zellpermeabilität, wodurch wiederum der Austausch von Nährstoffen und Abfallstoffen verbessert werden kann, was zu einer verbesserten Impfstoffproduktion führt. Dadurch kann die Produktionszeit für Impfstoffe verkürzt und/oder die Ausbeute an Proteinen, die als Impfstoffe eingesetzt werden, erhöht werden.

Pharmareaktoren von Hielscher Ultrasonics

Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallsystemen und Sono-Bioreaktoren für den Einsatz in Forschung und Entwicklung sowie in der industriellen Produktion von Arzneimitteln spezialisiert (z. B. Impfstoffen, pharmazeutischen Wirkstoffen).
Die Beschallung kann in offenen Gefäßen, geschlossenen Reaktoren und kontinuierlich betriebenen Durchflussreaktoren eingesetzt werden. Alle Teile der Ultraschallsysteme, die mit dem flüssigen Medium in Kontakt kommen, bestehen aus Edelstahl, Titan oder Glas. Autoklavierbare Teile und Sanitärarmaturen gewährleisten die Herstellung von Produkten in pharmazeutischer Qualität.
Eine intelligente Software zeichnet die Parameter des Beschallungsprozesses automatisch auf der integrierten SD-Speicherkarte auf. Die präzise Regelung aller Beschallungsparameter gewährleistet die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des Prozessergebnisses.

Standardisierung der Produktion.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics sind äußerst zuverlässig und lassen sich präzise regeln. Alle industriellen Ultraschallgeräte können so eingestellt werden, dass sie den gesamten Bereich von niedrigen bis zu sehr hohen Amplituden abdecken. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos dauerhaft im 24/7-Betrieb fahren. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.