Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschalllösungen für eine verbesserte Impfstoffproduktion

  • Die Sondierung wird in verschiedenen Schritten der Impfstoffherstellung eingesetzt: zur Zelllyse, zur Homogenisierung von Zellsuspensionen, zur Stimulierung des Zellwachstums, zur Verkapselung, zur adjuvanten Proteinbindung etc.
  • Die Ultraschallgeräte von Hielscher werden in der Antigenherstellung, -verkapselung und -formulierung sowie im Entgasungsschritt vor der Abfüllung des Impfstoffs in Vials oder Spritzen eingesetzt.
  • Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjähriger Partner für zuverlässige Ultraschallsysteme in der Pharmaindustrie. Erfahren Sie, in welchen Prozessschritten der Impfstoffherstellung Ihre Produktion verbessern kann!

Herstellung von Impfstoffen

Die Ultraschallbehandlung kann in verschiedenen Phasen der Impfstoffproduktion von Vorteil sein. Um einen Impfstoff herzustellen, ist der erste Schritt die Herstellung des Antigens selbst. Je nach Typ des Erregers ist die Metode der Antigenbildung unterschiedlich: Während Viren entweder auf Primärzellen wie Hühnereiern (z.B. bei Grippe) oder auf kontinuierlichen Zelllinien wie kultivierten menschlichen Zellen (z.B. bei Hepatitis A) gezüchtet werden, werden Bakterien in Bioreaktoren (z.B. Haemophilus influenzae Typ b) gezüchtet. Rekombinante Proteine, die aus Viren oder Bakterien gewonnen wurden, können auch in Hefen, Bakterien oder Zellkulturen gezüchtet werden. Bei der Herstellung des Antigens muss es aus den Zellen, in denen es gewachsen ist, freigesetzt werden.
Ein Virus muss möglicherweise inaktiviert werden, möglicherweise ohne dass eine weitere Reinigung erforderlich ist. Rekombinante Proteine benötigen viele Operationen mit Ultrafiltration und Säulenchromatographie. Abhängig von der Impfstoffformulierung werden ein Adjuvans, Stabilisierungsmittel und Konservierungsmittel zugesetzt. Adjuvantien verbessern die Immunantwort des Antigens, Stabilisatoren und Konservierungsmittel erhöhen die Haltbarkeit.
Bei der Herstellung von Impfstoffen kann die Ultraschallbehandlung in verschiedenen Phasen durchgeführt werden. Als nicht-thermisches Verarbeitungsverfahren wird der thermische Abbau von Wertstoffen vermieden. Nachfolgend finden Sie die häufigsten Anwendungen, bei denen Ultraschall die Produktion von Impfstoffen verbessert:

Dispersion von Antigenen

Die Ultraschallschere verteilt die Partikel homogen.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 Sondierung hat sich bei der Herstellung von Pharmaprodukten zur Herstellung feiner Dispersionen langfristig 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 Adjuvans, die in Impfstoffformulierungen leicht zu einer funktionierenden Einheit aggregiert werden können. Um Adjuvantien mit Antigenen zu kombinieren, ist eine gleichmäßige Verteilung des Antigens über den aluminiumhaltigen Impfstoff erforderlich. Die Ultraschalldispersion bereitet homogene Dispersionen von Antigenen und Hilfsstoffen vor (z.B. Alhydrogel™).

Ultraschall-Homogenisatoren wie der UIP1000hdT werden für verschiedene Anwendungen in der Impfstoffherstellung eingesetzt.

UIP1000hdT mit Ultraschall-Durchflussreaktor

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Zell-Lyse & Extraktion

Die aus Mikroorganismen hergestellten Antigene müssen aus der mikrobiellen Zelle freigesetzt werden. Die Sondierung ist eine bewährte Technologie der Zelllyse und -extraktion. Durch Anpassung der Sonikationsparameter können Zellen perforiert oder gestört werden, so dass die gewünschten Antigene verfügbar werden und isoliert werden können.

Inaktivierung von Krankheitserregern

Escherichia coli Bakterien können mit Ultraschallhomogenisatorzuverlässig aufgeschlossen werden.Leistungsultraschall wird eingesetzt, um Mikroorganismen wie Bakterien und Viren zu zerstören und abzutöten. So hat sich beispielsweise die Ultraschall-Deaktivierung von E. coli und die anschließende Bestrahlung als die wirksamste Technik zur Herstellung eines wirksamen Colibacillose-Impfstoffs erwiesen. [Melamed et al. 1991]
Häufig verwendete Techniken zur mikrobiellen Inaktivierung sind die thermische Pasteurisierung und Sterilisation, die auf einer langen Aussetzung an hohe Temperaturen basieren und oft zu einer thermisch bedingten Verschlechterung der funktionellen Eigenschaften führen. Eine kombinierte Behandlung von Ultraschall und Wärme (Thermosondierung) kann die Sterilisationsrate beschleunigen; da die thermische Intensität und Dauer deutlich reduziert wird, erfolgt der thermische Abbau von wärmeempfindlichen Verbindungen (z.B. Proteine, Antigene). Die Ultraschall-Sterilisation und Pasteurisation ist kosteneffizient, energiesparend und umweltfreundlich.

Emulsionen & Suspensionen

Ultraschallpräparierte Doppelemulsion, z.B. für Arzneimittel.Impfstoffformulierungen können aus Wasser-Lipid-Gemischen bestehen. Da Wasser-Lipid-Formulierungen nicht mischbar sind, muss eine feinteilige Emulsion hergestellt werden, indem entweder die Tröpfchen überwunden werden.‘ Oberflächenspannung oder die Verwendung eines Tensids. Die Ultraschallemulsifikation ist eine etablierte Technik zur Formulierung von Nano-Emulsionen / Mini-Emulsionen, Doppelemulsionen und Pickering-Emulsionen. So können beispielsweise wasserunlösliche Lipopeptide mit Antigen im Verhältnis 1:1 (w/w) in wässriger Lösung ultraschallisch suspendiert werden.
Weiterhin wird die Sondierung angewendet, um Zellaggregate zu reduzieren und die einfach verteilte Zelle gleichmäßig in der Suspension zu verteilen.

Ultraschall wird zur Herstellung von Impfstoffen eingesetzt (Zum Vergrößern anklicken!)

Ultraschall-Glasdurchflusszelle

Adjuvantien und Konservierungsmittel

Impfstoffe enthalten in der Regel ein oder mehrere Hilfsstoffe, die zur Stärkung der Immunantwort eingesetzt werden. Durch Ultraschall werden adjuvante Mikrofasern entwirrt und homogen dispergiert, so dass die Proteinbindung an der Oberfläche verbessert wird. Emulsionsbasierte Adjuvansysteme werden häufig bei der Entwicklung und Formulierung von Impfstoffen eingesetzt. Solche adjuvanten Systeme 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.
Darüber hinaus werden Konservierungsmittel zugesetzt, um eine Kontamination des Impfstoffs mit Bakterien oder Pilzen zu verhindern. Konservierungsmittel können in verschiedenen Phasen der Herstellung von Impfstoffen verwendet werden.
Der Einsatz von Ultraschall-Homogenisatoren fördert ein gleichmäßigeres und feineres Mischen und Dispergieren und ist damit ein zuverlässiges Werkzeug für eine effizientere Impfstoffproduktion.

Formulierung & liposomale Verkapselung

Liposom-verkapselte Impfstoffe können oral, intranasal, intramuskulär, subkutan verabreicht werden und sind eine vorteilhafte Impfstoffverabreichungsmethode und ein Adjuvans, das die gezielte Verabreichung verbessern und die Toxizität der eingeschlossenen Antigene reduzieren könnte. Die Sondierung ist eine zuverlässige Technik, um Wirkstoffe in liposomale Formulierungen zu verkapseln. Lesen Sie hier mehr über die Ultraschall-Formulierung von Liposomen!
Um einen Veterinärimpfstoff gegen die Newcastle-Krankheit zu formulieren, haben Zhao et al. (2011) ein Phosphatidylcholin/Cholesterin kleine unilammelare Vesikel (SUV) unter Ultraschall hergestellt. Der ultraschallgekapselte Impfstoff zeigte eine verbesserte Immunantwort, höhere IgG- und IgM-Antikörpertiter sowie eine T-Zell- und B-Zell-Proliferation.

Entgasen

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 das Zusammenwachsen von Gasblasen, die in Flüssigkeiten eingeschlossen sind. Die zusammengewachsenen Blasen haben einen höheren Auftrieb und steigen an die Flüssigkeitsoberfläche. Die Entfernung von Gasblasen kann verbessert werden, wenn ein leichtes Vakuum auf das Ultraschallgefäß aufgebracht wird. Die ultraschallunterstützte Entgasung ist eine einfache und schnelle Entgasungstechnik für wässrige Suspensionen.

Zellwachstum

Die Ultraschallbewegung während der Impfung (der Prozess der Einführung von Mikroorganismen in ein Kulturmedium) kann das Wachstum von Zellkulturen erhöhen. Die Sondierungsintensität, die Temperatur und die Verweildauer in den Ultraschallbioreaktoren von Hielscher lassen sich in Abhängigkeit vom Zelltyp und dessen Anforderungen exakt regeln.
So kann beispielsweise eine milde Ultraschallbehandlung eingesetzt werden, um die Glukoseaufnahme von Zellen zu erhöhen und damit das Wachstum von Zellkulturen und Suspensionen zu fördern. Es ist bekannt, dass Ultraschall die Zelldurchlässigkeit erhöht, was wiederum den Nährstoff-/Abfallaustausch verbessern kann, was zu einer verbesserten Impfstoffproduktion führt. Dadurch kann die Produktionszeit des Impfstoffs verkürzt und/oder die Ausbeute der als Impfstoffe verwendeten Proteine erhöht werden.

Hielscher Ultrasonics‘ 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)
Geschlossener Pharma-Batch-ReaktorDie Sondierung kann auf offene Gefäße angewendet werden, geschlossene Reaktoren und kontinuierliche Durchflussreaktoren. Alle Teile der Ultraschallsysteme, die mit dem flüssigen Medium in Berührung kommen, sind aus Edelstahl, Titan oder Glas gefertigt. Autoklavierbare Teile und Sanitärarmaturen gewährleisten die Herstellung von Pharmaqualität -Produkten.
Intelligente Software erfasst die Parameter des Beschallungsprozesses automatisch auf der integrierten SD-Speicherkarte. Die präzise Steuerung aller Prozessparameter stellt sicher, dass die Reproduzierbarkeit und Standardisierung der Produktion.
Hielscher Ultrasonics‘ Industrieller Ultraschallprozessors sind sehr zuverlässig und können präzise gesteuert werden. Alle industriellen 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 kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallsysteme von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.

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Hielscher Ultrasonics produziert leistungsstarke Ultraschallgeräte für Vollspektrum-Extrakte.

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.

Literatur



Wissenswertes

Funktionsprinzip des Leistungsultraschalls: Akustische Kavitation

Die ultraschall-akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die als Lyse bezeichneten Zellwände öffnen (Zum Vergrößern anklicken!).

Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.