Um uns vor Infektionskrankheiten zu schützen sowie ihre Ausbreitung und Weiterentwicklung einzudämmen, haben sich Impfstoffe bewährt, die auf der Wirkung von Proteinen oder toten beziehungsweise harmlosen Viren basieren. Eine Herausforderung ist allerdings, die Wirkstoffe von den Herstellern zu den manchmal entlegenen Einsatzorten zu bringen. Wie auch bei anderen Protein-Substanzen wie Enzymen ist der problematischste Aspekt dabei die Temperatur. Denn die meisten müssen ununterbrochen bei unter zehn Grad Celsius aufbewahrt werden, damit sie ihre Wirksamkeit behalten.
Die entsprechende Kühlung ist mit enormen Kosten verbunden: Im Jahr 2020 mussten Schätzungen zufolge 17,2 Milliarden US-Dollar für Kühlketten aufgewendet werden und es wird mit einem weiteren deutlichen Anstieg gerechnet. Trotz des Aufwands führen logistische Probleme zu enormen Verlusten: Viele Protein-Wirkstoffe landen im Abfall. Denn vor allem in Ländern mit schwacher Infrastruktur können Kühlketten oft nicht ununterbrochen aufrechterhalten werden und die kostbaren Substanzen werden unbrauchbar. Vor diesem Hintergrund widmet sich das Forscherteam um Bruno Marco-Dufort von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich der Entwicklung von alternativen Möglichkeiten zum Schutz der Wirkstoffe gegen Temperaturschwankungen.
Polymere halten Proteine auf Abstand
Das Konzept, das sie nun präsentieren, basiert dabei auf einer Immobilisierung der Biopartikel, sodass sie bei Wärme nicht mehr miteinander interagieren können. Zum Hintergrund erklärt Marco-Dufort: „Man muss sich das Problem wie beim Eiweiß eines Eis vorstellen: Bei Raumtemperatur oder im Kühlschrank behält es seine zähflüssige Eiweißstruktur bei. In kochendem Wasser oder in der Bratpfanne ändert sich diese jedoch komplett. Ähnlich verhält es sich mit den Proteinen in einem Impfstoff: Sobald sie bestimmten Temperaturen ausgesetzt sind, verklumpen sie. Diese Verklumpungen lassen sich selbst dann nicht rückgängig machen, wenn der Impfstoff wieder gekühlt wird. Man kann ja auch ein Ei nicht wieder entkochen“, so Marco-Dufort.
Um das Verklumpen zu verhindern, haben die Wissenschaftler eine spezielle Formulierung eines sogenannten Hydrogels entwickelt. Darin sorgt ein biokompatibles Polymer auf Basis von Polyethylenglycol (PEG) für eine Stabilisierung der Wirkstoffe. Es bildet eine Art Verpackung aus, die Proteine einkapselt und voneinander getrennt hält. Dadurch können sie deutlich höheren Temperaturen standhalten, ohne ihre Wirksamkeit einzubüßen: Anstelle des herkömmlichen Bereichs von zwei bis acht Grad Celsius, ermöglicht es das Hydrogel-System, dass Proteine Temperaturen von bis zu 65 Grad Celsius standhalten können, berichten die Forscher.
