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So funktioniert die Herstellung von mRNA-Impfstoffen

Die Herstellung von Impfstoffen ist in der Regel ein langwieriger Prozess. Die neue mRNA-Technologie erleichtert die Produktion und macht schnelle Anpassungen von Impfstoffen möglich.

An mRNA und ihren Einsatzmöglichkeiten in der Medizin wird nicht erst seit dem Ausbruch der SARS-CoV-2-Pandemie geforscht, sondern bereits seit Jahrzehnten. Die Gründer:innen des Biotech-Unternehmens BioNTech, Uğur Şahin und Özlem Türeci, forschen bereits seit rund 20 Jahren an mRNA-Impfstoffen für Krebspatient:innen. mRNA für Impfstoffe zu nutzen, ist dennoch eine vergleichsweise junge Disziplin der Medizin.

Production

Der größte Unterschied zu herkömmlichen Impfstoffen: Bislang wurde in der Regel ein langwieriges Verfahren für die Impfstoffherstellung genutzt. Ein Krankheitserreger musste in großen Mengen angezüchtet und anschließend abgeschwächt beziehungsweise abgetötet werden. Bei der Herstellung von mRNA-Impfstoffen wird nicht der ganze Erreger aufbereitet, sondern nur der Teil des Viruserbgutes, der den Bauplan für ein nichtinfektiöses Protein des Virus enthält. Im Falle der momentan verfügbaren COVID-19-mRNA-Impfstoffe ist das der Bauplan für das Spike-Protein von SARS-CoV-2 (Video: Die Aufgabe der mRNA bei Impfstoffen). Hieraus werden dann in kurzer Zeit große Mengen an mRNA (Bauplankopie) hergestellt. Daher können mRNA-Impfstoffe deutlich schneller produziert werden.

Rund die Hälfte der gesamten Produktionszeit eines mRNA-Impfstoffs wird für intensive Tests verwendet.1 Um die Qualität des Produkts zu überprüfen, werden fortlaufend Proben entnommen. Der Herstellungsprozess kann in 4 Schritte unterteilt werden (Video: Die Produktion von mRNA-Impfstoffen):

Schritt 1: DNA mit relevanten Informationen

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Die COVID-19-mRNA-Impfstoffe nutzen das Spike-Protein, das wie ein Stachel auf SARS-CoV-2 sitzt. In Form einer Bauplankopie werden dem Körper Informationen zur Produktion dieses Proteins injiziert. Zunächst wird dazu im Labor die DNA hergestellt, die genau diese Bauplaninformation des Spike-Proteins enthält. Dieser DNA-Abschnitt wird dann millionenfach vervielfältigt. Anschließend werden diese DNA-Abschnitte gründlich gereinigt, bevor der nächste Produktionsschritt beginnt. 

Schritt 2: Umschreiben von DNA in mRNA

mRNA

Nun muss die DNA in mRNA umgewandelt werden. Dazu werden zunächst die Doppelstränge der DNA in Einzelstränge geteilt. Bevor diese weiterverarbeitet werden, werden sie für mehrere Tage bei -80 °C eingefroren und auf ihre Qualität geprüft, um den strengen Richtlinien für Impfstoffe zu entsprechen. Hat die DNA alle Tests bestanden, wird sie in mRNA umgeschrieben. Das heißt: Ein Enzym, die sogenannte RNA-Polymerase, liest die Informationen des Einzelstrangs der DNA ab und bildet den dazu passenden (komplementären) mRNA-Strang mit Hilfe der dafür nötigen molekularen Bausteine. Dieser Prozess dauert etwa 3 bis 4 Tage. Im Anschluss wird die daraus entstandene mRNA erneut gereinigt, um die Qualität des Impfstoffs sicherzustellen.

Schritt 3: Verpackung in Fett-Tröpfchen

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Die mRNA wird mit kleinen Fett-Tröpfchen umhüllt. Diese stabilisieren die mRNA und gewährleisten, dass Körperzellen sie aufnehmen können.  Zahlreiche Studien haben bestätigt, dass diese Fettschicht aus sogenannten Lipid-Nanopartikeln für den menschlichen Körper unbedenklich ist.2

Schritt 4: Der fertige Impfstoff

Produkt

Eingehüllt in die Fett-Tröpfchen ist die mRNA für die Nutzung als Impfstoff bereit. Dazu wird sie gemeinsam mit Zucker (als Trennmittel), 4 verschiedenen Salzen (zur Stabilisierung des pH-Werts) und Wasser (zu Injektionszwecken) in Durchstechflaschen abgefüllt. Anschließend wird geprüft, ob die Durchstechflaschen dicht und nicht beschädigt sind, bevor sie bei -75°C (±15°C) schockgefroren werden. Um die Stabilität der mRNA-Impfstoffe aufrecht zu erhalten, müssen diese unter genau definierten und kontrollierten Bedingungen transportiert und gelagert werden. 

Quellen

1 COVID-19-Spezial. Pfizer Deutschland GmbH 2021. (Stand: 25.06.2021)
2 Impfstofftypen. Bundesministerium für Gesundheit 2021. (Stand: 25.06.2021)

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