Hydrogel-Impfstoffe könnten das Ende der Auffrischungsimpfungen und der Impfungleichheit bedeuten

Seit dem Ausbruch von SARS-CoV-2 Ende 2019 haben wir weltweit erhebliche Anstrengungen erlebt, die zur Entwicklung und Zulassung mehrerer Impfstoffe gegen das Virus geführt haben. Diese beispiellose Leistung demonstrierte die Leistungsfähigkeit von Wissenschaft und Technologie bei der Bewältigung neuer Bedrohungen und dem Schutz der öffentlichen Gesundheit.

Herausforderungen bei der Impfgerechtigkeit führen neben anderen Faktoren dazu, dass etwa 30 % der Weltbevölkerung – hauptsächlich in Ländern mit niedrigem Einkommen – dennoch ungeimpft gegen SARS-CoV-2 sind.

Der wirksamste der COVID-19-Impfstoffe waren die von Pfizer und Moderna entwickelten mRNA-Impfstoffe. Allerdings wirkten sich ihre Kosten, Probleme bei der Lagerung und Probleme in der Lieferkette auf die Ungleichheit bei Impfstoffen auf der ganzen Welt aus. Die Situation wird dadurch verschärft, dass mehrere Impfdosen erforderlich sind, um den Schutz aufrechtzuerhalten.

Nun zeigen neue Forschungsergebnisse aus dem Labor von Eric Appel, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik an der Stanford University, dass die Verwendung einer Art Hydrogel – ein Fest-Flüssig-Hybridmaterial mit hohem Wassergehalt – zur Verabreichung von COVID-19-Impfstoffen die … Anzahl der benötigten Schüsse pro Einzeldosis.

„Es besteht großes Interesse an einer Plattform zur Impfstoffabgabe [like our hydrogels] Dadurch kann die Notwendigkeit von Auffrischungsimpfungen entfallen und dennoch die Wirksamkeit des Impfstoffs aus globaler Gesundheitsperspektive erreicht werden“, sagte Ben Ou, Ph.D. Student in Appels Labor und Erstautor des Veröffentlichung In Fortschrittliche Materialien für das Gesundheitswesen. „Diese Forschung kann unsere Vorbereitung auf zukünftige Pandemien unterstützen, bei denen die Hydrogel-Plattform möglicherweise dazu beitragen kann, den Impfprozess weltweit zu beschleunigen.“

Ein Gel mit langsamer Freisetzung

Auch wenn der Begriff „Hydrogele“ ungewohnt klingen mag, sind sie den meisten von uns bereits in Form von Händedesinfektionsmitteln oder Gelatinendesserts begegnet. „Ob es sich um Wackelpudding, Haargel oder unsere Hydrogele handelt, sie bestehen alle hauptsächlich aus Wasser mit einer kleinen Menge Wasser [fibers called] Polymere“, sagte Appel.

In der Studie war das zum Aufbau des Hydrogels verwendete Polymer Zellulose, die ein Netz bildet, das die Struktur zusammenhält und so etwas erzeugt, das nicht vollständig flüssig, aber auch nicht vollständig fest ist.

Das Hydrogel ist auch injizierbar, da das Netz dynamisch und nicht kovalent ist, d. h. es ähnelt eher einem Klettverschluss als einem Klebstoff. „Wenn man auf den Spritzenkolben drückt, löst sich der Klettverschluss […] und das Material fließt leicht durch die Nadel“, sagte Appel. „Sobald die Materialien die Spritze verlassen, […] Der molekulare Klettverschluss schnappt sofort wieder zusammen und ergibt wieder ein festes Gel.“

Im Inneren der injizierbaren Hydrogele befinden sich unglaublich kleine Partikel, sogenannte Nanopartikel, die den Wirkstoff des Impfstoffs, einen Teil des SARS-CoV-2-Spike-Proteins, RBD, enthalten. Das Virus nutzt dieses Protein als „Schlüssel“, um in Zellen einzudringen. Das Hydrogel des Impfstoffs nutzt es jedoch, um unser Immunsystem darauf zu trainieren, eindringende Viren zu erkennen und anzugreifen.

Die Nanopartikel werden vom Hydrogel umhüllt und geschützt, dessen Auflösung nach der Injektion unter die Haut Wochen dauert. Im Gegensatz zu aktuellen Impfstoffen, die in einer löslichen Formel verabreicht werden und sich schnell auflösen, ahmt die langsame Freisetzung von Impfstoffen in Hydrogelen natürliche Infektionen nach, bei denen virale Materialien mehrere Wochen lang vorhanden sein können.

Tests an Mäusen zeigten nach einer einzigen Injektion des Hydrogel-Impfstoffs eine schnellere, höhere und dauerhaftere Immunität als bei Standardimpfstoffen mit flüssiger Verabreichung. „Wir untersuchen aktiv die Langzeitbeständigkeit von Impfreaktionen und sind zuversichtlich, dass die Immunimmunität über ein Jahr, wenn nicht sogar länger, anhalten kann“, sagte Ou. Darüber hinaus entwickelten Tiere, die mit der Hydrogel-Plattform geimpft wurden, Antikörper, die gegen besorgniserregende SARS-CoV-2-Varianten wie Delta und Omicron wirksam waren, von denen bekannt ist, dass sie der Immunantwort entgehen.

Laut Hirak Patra, außerordentlicher Professor für Nanomedizin und regenerative Medizin am University College London, der nicht an der Studie beteiligt war, handelt es sich um eine „Proof of Concept“-Studie, bei der die eigentliche Herausforderung darin besteht, sie nun auf Biokompatibilität und nachhaltige Immunisierung zu übertragen in Menschen.

“In diesem Stadium […] Es wird schwer vorherzusagen sein, ob eine ähnliche Reaktion beim Menschen zu erwarten ist“, sagte Patra, der darauf hinwies, dass es schwierig sei vorherzusagen, wie das menschliche Immunsystem auf das Hydrogel reagieren wird. Seiner Meinung nach sollten auch weitere Komplikationen wie die Blutgerinnung untersucht werden, bevor diese Materialien im klinischen Umfeld eingesetzt werden.

R bekommenbereit für die nächste Pandemie

Appel und sein Team hoffen, dass ihre „Gel-Impfstoffplattform in den nächsten Jahren das Stadium klinischer Studien am Menschen erreichen kann“ und bleiben hinsichtlich der Zukunftsaussichten optimistisch.

Sie sind durch die bisher in ihren Studien beobachteten positiven Ergebnisse ermutigt und glauben, dass weitere Fortschritte gemacht werden können, um diese Technologie näher an die klinische Anwendung zu bringen. „Wir haben bei unseren Studien an Tieren keine Komplikationen festgestellt und jede Komponente der Hydrogele besteht aus Materialien, die als GRAS gelten [generally recognized as safe] Materialien durch die FDA.“

Die Forscher denken auch über Anwendungen ihrer Hydrogel-Impfstoff-Verabreichungsplattform über nur COVID-19 hinaus nach. „Wir haben gezeigt, dass wir verschiedene Impfstoffe in das Hydrogel integrieren und mit nur einer Injektion starke, breite und dauerhafte Impfimmunreaktionen erzeugen können“, sagte Ou. „Das bedeutet, dass wir, wenn ein neuer unbekannter Krankheitserreger auftritt, unser Hydrogel schnell mit jedem Impfstoffkandidaten einsetzen und es als Plattform für eine Einzelimmunisierung nutzen können.“

Die Verbesserung der Fähigkeit, auf einen unvorhergesehenen Ausbruch zu reagieren, ist in der Tat eine der Prioritäten und Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation, die seit den Ausbrüchen der Ebola- und Zika-Epidemien einen Plan zur Entwicklung von Impfstoffen innerhalb der ersten 100 Tage aufgelegt hat hypothetische Krise der öffentlichen Gesundheit.

In dieser Zeit wurden Proof-of-Concept für mRNA-Impfstoffe entwickelt, die von entscheidender Bedeutung für die Bekämpfung der COVID-19-Pandemie waren. Hydrogele könnten eine hervorragende Plattform sein, um das nächste Problem in Angriff zu nehmen. „Vielleicht können wir sehen, dass bis zum Ende dieses Jahrzehnts eine Impfstofftechnologie alle Kriterien erfüllt – Einzeldosis, günstig und unabhängig von der Kühlkette – bis zum Ende dieses Jahrzehnts“, schloss Ou.

Referenz: Ben S. Ou et al., Breite und dauerhafte humorale Reaktionen nach Einzelhydrogel-Immunisierung des Impfstoffs gegen die SARS-CoV-2-Untereinheit, Advanced Health Care Materials (2023). DOI: 10.1002/adhm.202301495

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