Ultraschalllösungen für eine verbesserte Impfstoffproduktion

• Die Sonikation wird in verschiedenen Schritten der Impfstoffherstellung eingesetzt: zur Zelllyse, zur Homogenisierung von Zellsuspensionen, zur Stimulierung des Zellwachstums, zur Verkapselung, zur Bindung von Adjuvans-Proteinen usw.
• Hielscher-Sonicatoren werden bei der Antigenherstellung, Verkapselung und Formulierung sowie bei der Entgasung vor der Abfüllung des Impfstoffs in Fläschchen oder Spritzen eingesetzt.
• Hielscher Ultrasonics ist Ihr erfahrener Partner für zuverlässige Ultraschallsysteme in der Pharmaindustrie. Finden Sie heraus, bei welchen Prozessschritten der Impfstoffherstellung Sie Ihre Produktion verbessern können!

Herstellung von Impfstoffen

Die Ultraschallbehandlung kann in verschiedenen Phasen der Impfstoffherstellung von Nutzen sein. Zur Herstellung eines Impfstoffs muss zunächst das Antigen selbst hergestellt werden. Je nach Art des Erregers unterscheidet sich die Methode der Antigenherstellung: Während Viren entweder auf Primärzellen wie Hühnereiern (z. B. für Influenza) oder auf kontinuierlichen Zelllinien wie kultivierten menschlichen Zellen (z. B. für Hepatitis A) gezüchtet werden, werden Bakterien in Bioreaktoren gezüchtet (z. B. Haemophilus influenzae Typ b). Rekombinante Proteine, die aus Viren oder Bakterien gewonnen wurden, können auch in Hefe, Bakterien oder Zellkulturen gezüchtet werden. Wenn das Antigen hergestellt ist, muss es aus den Zellen, in denen es gezüchtet wurde, freigesetzt werden.
Ein Virus muss möglicherweise inaktiviert werden, ohne dass eine weitere Reinigung erforderlich ist. Bei rekombinanten Proteinen sind viele Arbeitsschritte erforderlich, darunter Ultrafiltration und Säulenchromatographie. Je nach Impfstoffformulierung werden Adjuvantien, Stabilisierungsmittel und Konservierungsstoffe zugesetzt. Adjuvantien verstärken die Immunantwort auf das Antigen, Stabilisatoren und Konservierungsmittel verlängern die Haltbarkeit.
Bei der Herstellung von Impfstoffen kann die Beschallung in verschiedenen Phasen eingesetzt werden. Da es sich um eine nicht-thermische Verarbeitungsmethode handelt, wird ein Wärmeabbau des wertvollen Materials vermieden. Nachstehend finden Sie die häufigsten Anwendungen, bei denen Ultraschall die Herstellung von Impfstoffen verbessert:

Dispersion von Antigenen

Antigene wie Zellfragmente oder Proteinantigene müssen homogen in einer Suspension, einem Polymer oder einer liposomalen Verkapselung dispergiert werden, um eine stabile Impfstoffformulierung zu erhalten. Die Sonikation hat sich seit langem zur Herstellung feiner Dispersionen bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte bewährt und ist daher eine etablierte Technik in der modernen Impfstoffproduktion.
Adjuvantien auf Aluminiumbasis, die aus sehr kleinen Primärpartikeln bestehen, sind eine häufig verwendete Art von Adjuvantien, die sich in Impfstoffformulierungen leicht zu einer funktionierenden Einheit zusammenfügen lassen. Um Adjuvantien mit Antigenen zu kombinieren, ist eine gleichmäßige Verteilung des Antigens in dem aluminiumhaltigen Impfstoff erforderlich. Mit Hilfe der Ultraschalldispersion werden homogene Dispersionen von Antigenen und Adjuvantien (z. B. Alhydrogel™) hergestellt.

Zell-Lyse & Extraktion

Die von Mikroorganismen produzierten Antigene müssen aus der mikrobiellen Zelle freigesetzt werden. Die Beschallung ist eine bewährte Technologie der Zelllyse und -extraktion. Durch Anpassung der Beschallungsparameter können die Zellen perforiert oder aufgebrochen werden, so dass die gewünschten Antigene verfügbar werden und isoliert werden können.

Inaktivierung von Krankheitserregern

Leistungsstarker Ultraschall wird eingesetzt, um Mikroorganismen wie Bakterien und Viren zu zerstören und abzutöten. So hat sich beispielsweise die Deaktivierung von E. coli mit Ultraschall und anschließender Bestrahlung als die wirksamste Technik zur Herstellung eines wirksamen Impfstoffs gegen Kolibazillose erwiesen. (Melamed et al. 1991)
Übliche Verfahren zur mikrobiellen Inaktivierung sind die thermische Pasteurisierung und die Sterilisierung, die auf einer langen Einwirkung hoher Temperaturen beruhen und häufig zu einer thermisch bedingten Verschlechterung der funktionellen Eigenschaften führen. Eine kombinierte Behandlung von Beschallung und Wärme (Thermosonisierung) kann die Sterilisierungsrate beschleunigen; da die Wärmeintensität und -dauer deutlich reduziert wird, kommt es zu einem thermischen Abbau wärmeempfindlicher Verbindungen (z. B. Proteine, Antigene). Die Sterilisation und Pasteurisierung mit Ultraschall ist kosteneffizient, energiesparend und umweltfreundlich.

Emulsionen & Suspensionen

Impfstoffformulierungen können aus Wasser-Lipid-Gemischen bestehen. Da Wasser-Lipid-Formulierungen nicht mischbar sind, muss eine feinkörnige Emulsion hergestellt werden, indem entweder die Tröpfchen überwunden werden‘ Oberflächenspannung oder unter Verwendung eines Tensids. Die Emulgierung mit Ultraschall ist eine bewährte Technik zur Formulierung von Nano-Emulsionen / Mini-Emulsionen, Doppel-Emulsionen und Pickering-Emulsionen. So können beispielsweise wasserunlösliche Lipopeptide mit Antigen im Verhältnis 1:1 (w/w) in einer wässrigen Lösung per Ultraschall suspendiert werden.
Außerdem wird eine Beschallung durchgeführt, um die Zellaggregate zu reduzieren und die einzelnen dispergierten Zellen gleichmäßig in der Suspension zu verteilen.

Adjuvantien und Konservierungsmittel

Impfstoffe enthalten in der Regel ein oder mehrere Adjuvantien, die die Immunreaktion verstärken sollen. Durch Ultraschallbehandlung werden die Adjuvans-Mikrofasern entwirrt und homogen dispergiert, so dass die Proteinbindung an der Oberfläche verbessert wird. Adjuvansysteme auf Emulsionsbasis werden in der Impfstoffentwicklung und -formulierung häufig eingesetzt. Solche Adjuvansysteme auf Emulsionsbasis können mit verschiedenen Emulsionstypen wie Öl-in-Wasser (o/w), Wasser-in-Öl (w/o), Wasser-in-Öl-in-Wasser (w/o/w) oder proteinstabilisierten Emulsionen formuliert werden.
Außerdem werden Konservierungsmittel zugesetzt, um eine Kontamination des Impfstoffs mit Bakterien oder Pilzen zu verhindern. Konservierungsmittel können in verschiedenen Phasen der Impfstoffherstellung verwendet werden.
Der Einsatz von Ultraschallhomogenisatoren fördert eine gleichmäßigere und feinere Durchmischung und Dispergierung und ist damit ein zuverlässiges Instrument für eine effizientere Impfstoffproduktion.

Formulierung & liposomale Verkapselung

In Liposomen eingekapselte Impfstoffe können oral, intranasal, intramuskulär oder subkutan verabreicht werden und sind eine vorteilhafte Methode zur Verabreichung von Impfstoffen und Adjuvantien, die die gezielte Verabreichung verbessern und die Toxizität der eingeschlossenen Antigene verringern könnten. Die Sonikation ist eine zuverlässige Technik zur Verkapselung von Wirkstoffen in liposomalen Formulierungen. Lesen Sie hier mehr über die Ultraschallformulierung von Liposomen!
Um einen Veterinärimpfstoff gegen die Newcastle-Krankheit zu formulieren, stellten Zhao et al. (2011) kleine unilammelare Phosphatidylcholin/Cholesterol-Vesikel (SUV) unter Ultraschallbehandlung her. Der mit Ultraschall verkapselte Impfstoff zeigte eine verstärkte Immunantwort, höhere IgG- und IgM-Antikörpertiter sowie eine T-Zell- und B-Zell-Proliferation.

Entgasung von pharmazeutischen Suspensionen

Während der Impfstoff- und Pharmaproduktion und vor der Verpackung müssen Impfstoffe und Flüssigkeiten wie Suspensionen, Lösungen, Emulsionen und Endformulierungen entgast werden. Während des Entgasungs-/Entlüftungsschritts werden Gasblasen (z. B. Sauerstoff, Kohlendioxid), die in der Flüssigkeit eingeschlossen sind, entfernt. Ultraschallwellen fördern die Koaleszenz der in Flüssigkeiten eingeschlossenen Gasblasen. Die koaleszierten Blasen haben einen höheren Auftrieb und steigen zur Flüssigkeitsoberfläche auf. Die Entfernung von Gasblasen kann durch Anlegen eines leichten Vakuums an das Beschallungsgefäß verstärkt werden. Die ultraschallunterstützte Entgasung ist eine einfache und schnelle Entlüftungstechnik für wässrige Suspensionen.

Verstärktes Zellwachstum

Die Ultraschall-Beschallung bei der Inokulation (dem Einbringen von Mikroorganismen in ein Kulturmedium) kann das Wachstum von Zellkulturen steigern. Die Intensität der Beschallung, die Temperatur und die Verweilzeit in Hielscher-Ultraschall-Bioreaktoren lassen sich exakt auf den Zelltyp und seine Anforderungen einstellen.
So kann beispielsweise eine milde Beschallung die Glukoseaufnahme von Zellen erhöhen und dadurch das Wachstum von Zellkulturen und Suspensionen fördern. Es ist bekannt, dass Ultraschall die Durchlässigkeit der Zellen erhöht, was wiederum den Austausch von Nährstoffen und Abfallstoffen verbessern kann, was wiederum zu einer verbesserten Impfstoffproduktion führt. Dadurch kann die Produktionszeit von Impfstoffen verkürzt und/oder die Ausbeute an Proteinen, die als Impfstoffe verwendet werden, erhöht werden.

Hielscher Ultraschall Pharma-Reaktoren

Hielscher Ultrasonics ist spezialisiert auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallsystemen und Sono-Bioreaktoren für den Einsatz in R&D und die industrielle Produktion von Arzneimitteln (z. B. Impfstoffe. , APIs)
Die Beschallung kann in offenen Behältern, geschlossenen Reaktoren und kontinuierlichen Durchflussreaktoren eingesetzt werden. Alle Teile der Ultraschallsysteme, die mit dem flüssigen Medium in Berührung kommen, sind aus rostfreiem Stahl, Titan oder Glas gefertigt. Autoklavierbare Teile und Sanitärarmaturen gewährleisten die Herstellung von pharmazeutische Qualität -Produkten.
Die intelligente Software zeichnet die Parameter des Beschallungsprozesses automatisch auf der integrierten SD-Speicherkarte auf. Die präzise Steuerung aller Beschallungsparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des Prozessergebnisses.

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