Der neue Trockenpulver-Aerosol-COVID-19-Impfstoff ist vielversprechend gegen mehrere Virusstämme

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Natur, Forscher haben einen neuartigen Trockenpulver-Aerosol-Impfstoff gegen COVID-19 entwickelt und getestet. Der auf Nanopartikeln basierende Impfstoff besteht aus Choleratoxin-B-Untereinheiten mit den SARS-CoV-2-RBD-Antigenen. Studienergebnisse zeigten, dass dieses Einweg-Nasenspray die starke Produktion von IgG- und IgA-Antikörpern fördert und die lokalen T-Zell-Reaktionen im Nasentrakt und in den Alveolen in Maus- und nichtmenschlichen Primatenmodellen verstärkt. Die Zusammensetzung des Virus ermöglicht es ihm, Schutz sowohl gegen die angestammten COVID-19-Varianten als auch gegen die neueren Omicron-Stämme zu bieten. Dieser neuartige Impfstoff könnte die Grundlage für eine neue Generation nicht-invasiver Impfstoffe sowohl gegen COVID-19 als auch gegen andere Atemwegsinfektionen bilden.

Studie: Inhalierter SARS-CoV-2-Impfstoff zur Einzeldosis-Immunisierung mit Trockenpulver-Aerosolen. Bildquelle: Frau aus UA / Shutterstock

COVID-19 und die Vorteile einer Impfung

Das anhaltende schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verursachte die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), eine der verheerendsten Pandemien der letzten Zeit. Seit Beginn des Ausbruchs Ende 2019 hat es zu weit verbreiteter Morbidität, Mortalität und sozioökonomischen Verlusten geführt, fast 7 Millionen Todesopfer gefordert und mehr als 65 Millionen Überlebende mit Langzeitsymptomen (Long COVID) zurückgelassen.

Erfreulicherweise hat sich die schnelle Entwicklung von Impfstoffen gegen das Virus in vielen Regionen verlangsamt und sogar zum Stillstand gebracht. Die meisten kommerziell zugelassenen Anti-COVID-19-Impfstoffe fallen in die Kohorten inaktivierter Viren, Boten-RNA (mRNA), Proteinuntereinheiten und viraler Impfstoffe. Leider haben alle diese Impfstofftypen einen gemeinsamen Nachteil: Sie werden über intramuskuläre Injektionen verabreicht, die auf die Produktion von serologischem Immunglobulin G (IgG) abzielen. Diese Impfstoffe sind zwar wirksam, bieten jedoch keinen Schutz für die Atemwege.

Immer mehr Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Atemwege nicht nur der erste Ort einer COVID-19-Infektion sind, sondern auch während des gesamten Krankheitsverlaufs und (im Fall von Long-COVID) darüber hinaus der Ort der höchsten Viruslast bleiben. Dieser Mangel hat zur Entwicklung neuer Impfstoffklassen geführt, die intranasal oder durch Verneblung verabreicht werden sollen. Untersuchungen zu diesen Impfstoffen haben insbesondere gezeigt, dass viel niedrigere Dosen erforderlich sind, um ein ähnliches Schutzniveau zu erreichen wie bei herkömmlichen intramuskulär verabreichten Virostatika.

Bisher werden jedoch die meisten entwickelten und vorläufig in Angriff genommenen intranasalen Impfstoffe als Flüssigkeiten oder feuchte Aerosole gelagert, transportiert und verabreicht, was erhebliche wirtschaftliche Kosten für die Kühlkette mit sich bringt und mehrere Dosen erfordert, um die gewünschte Wirksamkeit zu erreichen. Darüber hinaus sind die meisten derzeit verfügbaren Impfstoffe monovalent und auf eine Variante aus einer kleinen Gruppe von SARS-CoV-2-Varianten ausgerichtet. SARS-CoV-2 ist ein schnell mutierendes Virus, bei dem bisher Tausende von Stämmen entdeckt wurden. Diese Diskrepanz erfordert die Entwicklung neuartiger Impfstoffe, die auf mehrere COVID-19-Stämme abzielen und gleichzeitig eine minimale Nachbeobachtung der Patienten erfordern.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie entwickelten und testeten Forscher einen neuartigen intranasalen Impfstoff, der sowohl polyvalent ist (auf mehrere COVID-19-Linien abzielt) als auch seine Wirksamkeit nach der Lyophilisierung (Gefriertrocknung) beibehält. Der Impfstoff wurde so konzipiert, dass er Partikel mit einer Größe von 1–4 µm enthält, um die Ablagerung in den Alveolen (tiefe Lunge) zu optimieren und sicherzustellen, dass der Wirksamkeitsverlust nicht auf das Ausatmen zu kleiner Partikel oder die Ablagerung zu großer Partikel in der Oberfläche zurückzuführen ist Lunge.

Der Impfstoff wurde unter Verwendung der Untereinheit des Choleratoxins B (CTB) als Nano-Chassis entwickelt, ausgedrückt in einer gentechnisch veränderten Form Escherichia coli BL21-Stamm. Mithilfe von Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) und Immunblotting wurde das Molekulargewicht des Chassis ermittelt und seine Größe mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) überprüft. Die Analyse der dynamischen Lichtstreuung (DLS) ergab, dass die Partikelgröße des Chassis innerhalb der gewünschten Größenklasse überwiegend einheitlich war. Die R-CNP-Antigenität wurde mithilfe von Oberflächenplasmonresonanz- und Enzymimmunoassays (ELISAs) bewertet.

Frühere Studien haben gezeigt, dass die direkte Inhalation nanoskaliger Partikel zu einer schlechten Alveolenaufnahme führt. Um dieses Problem zu lösen, verkapselten die Forscher das CTB-Chassis in Mikrokapseln mit einem Durchmesser von 1–4 µm.

„Durch die Feinabstimmung der Membranporengröße, des osmotischen Gradienten und der Porenentwicklungszeit können die Mikrokügelchen hinsichtlich Partikelgröße, Porosität und Hohlraumvolumen gesteuert werden, was die Optimierung von R-CNP@M auf eine geeignete aerodynamische Größe und hohe Einkapselung erleichtert Effizienz“

Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CL-SEM) in Verbindung mit 3D-Rekonstruktionen wurde verwendet, um die Größe und Absorption von R-CNP@M (in Mikrokapseln eingekapseltes R-CNP) zu überprüfen. Nach der Lyophilisierung erwies sich R-CNP@M bei der Verabreichung als Aerosol als stabil, was zu einem gleichmäßigen Nebel führte, wenn es mit einem Trockenpulver-Aerosolgenerator (DPAG) verabreicht wurde. Erfreulicherweise wurde festgestellt, dass dieses Aerosol den Impfstoff bis zu fünf Wochen nach der Verabreichung konstant abgibt, ohne dass es zu einem nennenswerten Wirksamkeitsverlust kommt.

Die Formulierung wurde an Mäusen, Hamstern und nichtmenschlichen Primaten getestet. Alle Testpersonen zeigten positive Ergebnisse mit einer anhaltenden Impfstoffabgabe an die Alveolen, die über einen Zeitraum von bis zu 42 Tagen beobachtet wurde.

„Die Werte der Fläche unter der Kurve von R-CNP@M waren im Vergleich zu denen von R-CNP um das 3,5-fache verbessert, was darauf hindeutet, dass R-CNP@M eine kontinuierliche Antigenstimulation in der Lunge induzieren kann.“

Einzelzell-TNA-Sequenzierung (scRNA-seq) wurde verwendet, um Immunantworten in CD45 zu messen⁺ Zellen am 21^st Tag nach der Impfung. R-CNP@M übertraf derzeit verfügbare intramuskuläre und flüssige Aerosolimpfstoffe bei der Aktivierung antigenpräsentierender Zellen. Ebenso der Anteil an aktiviertem CD8⁺ Die Anzahl der Gedächtnis-T-Zellen war unter dem R-CNP@M-Regime am höchsten. ELISA-Messungen von gesammeltem Blut von Mäusen, Hamstern und nichtmenschlichen Primaten ergaben, dass „aDie Antikörpertiter von RBD-spezifischem IgM, IgG, IgG1 und IgG2a im Serum wurden durch eine Einzeldosis R-CNP@M schneller und stärker erhöht als durch zwei Dosen freies R-CNP (10 μg äquivalentes RBD), während RBD -spezifische Antikörper waren in der CNP-Gruppe nicht nachweisbar.“

Schlussfolgerungen

In der vorliegenden Studie wird die Entwicklung des ersten Trockenaerosol-Impfvehikels vorgestellt, das die Nachteile herkömmlicher Systeme zur intramuskulären Impfstoffabgabe überwindet und flüssigkeitsbasierte Aerosole sowohl in wirtschaftlicher als auch in wirksamer Hinsicht übertrifft. Das in einer 1–4 µm großen Mikrokapsel eingekapselte Nanopartikel-Chassis erwies sich bei Testpersonen von Säugetieren und nichtmenschlichen Primaten als bis zu 42 Tage stabil und sicher. Der Impfstoff zeigte bis zu fünf Wochen nach der Verabreichung eine gleichmäßige Antigenfreisetzung in die Alveolen. Es führte zu der höchsten Aktivierung von Immunglobulinen und Gedächtnis-T-Zellen aller getesteten Impfregime.

„Die inhalierbare Impfung löst ein bekanntes Problem der öffentlichen Gesundheit, da die Begeisterung für diese Art der Verabreichung größer ist als für die herkömmliche Injektion und eine Einzeldosis-Impfung günstig ist, um den Anteil aller vollständig geimpften Empfänger erheblich zu erhöhen.“ Darüber hinaus kann die Trockenpulverform des Impfstoffs zu Einsparungen bei den Lager- und Transportkosten führen und möglicherweise die Durchimpfungsrate in abgelegenen Gebieten erhöhen. Darüber hinaus werden die Aussichten auf eine klinische Umsetzung durch die Verwendung eines proteinhaltigen Nanopartikel-Chassis und einer Mikrokapsel auf Basis eines von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassenen Materials verbessert.“

Am ermutigendsten war, dass sich dieser Impfstoff sowohl als Einzeldosis als auch als multivalenter Impfstoff erwies – im Gegensatz zu herkömmlichen Impfstoffen war die Wirksamkeit von R-CNP@M gegenüber Infektionen durch konventionelle und Omicron-COVID-19-Linien stabil. Darüber hinaus muss dieser Impfstoff im Gegensatz zu früheren Impfstoffen (einschließlich der meisten aerosolbasierten) nur einmal verabreicht werden.

„Angesichts der Flexibilität, Antigene auf dem CNP-Chassis anzuzeigen, gehen wir davon aus, dass unser inhalierter Impfstoff als vielversprechende multivalente Plattform zur Bekämpfung von COVID-19 und anderen Infektionskrankheiten der Atemwege dienen könnte.“