-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Haltbarmachung von Viren
und Mycoplasma. Insbesondere bezieht sie sich auf ein ultraschnelles
Verfahren, durch das solche Materialien unter Verwendung des Disaccharids
Trehalose haltbar gemacht werden können. Durch dieses Verfahren
kann eine Langzeithaltbarmachung von Viren und/oder Mycoplasma erreicht
werden und speziell können
lebende abgeschwächte
Impfstoffe hergestellt werden.
-
Die
Haltbarmachung von biologisch abbaubaren Materialien durch Dehydratisierung
und Osmokonzentration ist eine bekannte und alte Technologie. Wenn
die Haltbarmachung empfindlicher Biomoleküle notwendig wurde, versagte
einfaches Trocknen durch Dehydratisierung, da Strukturwasser entfernt
wurde, was die anschließende
Denaturierung und den Verlust der Lebensaktivität verursachte. Kältekonservierung
in flüssigem
Stickstoff und Lyophilsierung wurden die akzeptierten Verfahren
für die
Langzeithaltbarmachung von empfindlichen Biomolekülen, wobei
letzteres Verfahren umfangreich für die Haltbarmachung von lebenden
abgeschwächten
Impfstoffen verwendet wurde.
-
Verbesserte
Wärmetoleranz
von gefriergetrocknetem Rinderpest-Impfstoff ist durch Verlängern des zweiten
Trocknungszyklus erreicht worden, um die Restfeuchtegehalte (RM-Gehalte) auf rund
1% bis 2% zu verringern. Dies hatte lange und energieaufwendige
Betriebszyklen von bis zu 72 Stunden zur Folge, wie von Mariner,
J. C. et al., Vet. Microbiol., 1990, 21, 195–209, beschrieben. Impfstoffe,
die durch dieses Verfahren hergestellt werden, sind bekannt und
werden von dem Standardimpfstoff durch den Namen „THERMOVAX" unterschieden.
-
Wie
oben erwähnt,
sind diese derzeit verwendeten Verfahren zeitaufwendig und umfassen
einen hohen Energieeinsatz. Außerdem
verleiht die Lyophilisierung dem Endprodukt nur ein mäßiges Niveau
an Wärmetoleranz,
und eine Kühlung
ist dennoch erforderlich, um eine Verschlechterung während der
Lagerung zu verringern. Dies ist ein besonderes Problem bei Lebendimpfstoffen,
die im tropischen Klima verwendet werden sollen, da diese ihre Wirksamkeit
mit dem unerfreulichen Ergebnis verlieren, daß Impfprogramme, die in tropischen
Län dern
durchgeführt
werden, wo die Überwachung
der „Kühlkette" schwierig ist, schließlich zur
Impfung von Patienten mit minderwertigem oder in einigen Fällen nutzlosem
Impfstoff führt.
-
Während der
evolutionären
natürlichen
Selektion bleiben bestimmte Spezies von Pflanzen und Tieren, die
die bemerkenswerte und elegante Fähigkeit erwarben, extreme Dehydratisierung
zu tolerieren, in feindlichen Umgebungen für sehr lange Zeit inaktiv und
sind dennoch fähig,
bei Rehydratisierung die vollständige Lebensaktivität anzunehmen.
Beispiele umfassen die wiederauflebende Pflanze Selaqinella lepidophyla,
der Salzkrebs Artemia salina (Clegg, J., J. Comp. Biochem. Physiol,
1967, 20, 801–809),
die Hefe Saccharomyces cerevisiae (Coutinho, E., Journal of Biotechnology,
1988, 7, 23–32)
und die Tardigraden Macrobiotus hufelandi (Kinchin, I. M., Biologist,
1995, 42, 4). Diese Organismen werden als cryptobiotisch bezeichnet,
und das Verfahren, durch das sie überleben, ist als Anhydrobiose
bekannt. Alle Spezies von Tieren und Pflanzen, die diese Fähigkeit
zeigen, enthalten das Disaccharid Trehalose (α-D-Glucopyranosyl-α-D-glucopyranosid).
Ihr Vorhandensein, im allgemeinen in der Größenordnung von 0,2 g/g Trockenzellgewicht
in den meisten Cryptobionen, ermöglicht
ihnen, extremer Dehydratisierung, hohen Temperaturen, Röntgenstrahlen
und ebenso bei einigen Spezies von Tardigraden Drücken von
bis zu 600 MPa zu widerstehen.
-
Colaco
et al., Biotechnology, 1992, 10, 1007–1011, beschreiben den Vorteil
der schnellen Trocknung von biologischen Materialien unter Verwendung
von Trehalose. Dieses Verfahren bezieht sich hauptsächlich auf
das Trocknen von Restriktionsenzymen und Immunoglobulinen auf vorgeformten
festen Matrizen, wie Cellulosefasern, oder auf den Oberflächen von
Kunststoffplatten für
diagnostische Zwecke, wie ELISA oder ähnliche diagnostische Anwendungen
im Labor. Jedoch treten mit diesen Techniken Probleme auf, wenn
sie auf industrielle Anwendungen vergrößert werden, wie eine kommerzielle
Impfstoffherstellung im großen
Maßstab, bei
der viel größere Einheitszahlen
und -volumen unter Verwendung von obligatorischen aseptischen Techniken
in teilweise verschlossenen Phiolen gehandhabt werden müssen. Um
die betrieblichen Anforderungen der Impfstoffherstellung im großen Maßstab zu
erfüllen,
bei der Einheitsvolumen von 1,0 ml aufwärts und Produktionschargen
von 20 Liter typisch sind, ist eine andere Strategie erforderlich,
um das Volumen an Wasser in einer wirtschaftlich akzeptablen Zeit
zu entfernen. Das Trocknen bei Atmosphärendruck, selbst bei den höchsten physiologisch
tolerierten Temperaturen, würde
eine unannehmbar lange Zeit erfor dern, um Wasser schnell genug aus
teilweise verstöpselten
Impfstoffphiolen zu entfernen, und würde zwangsläufig zur Denaturierung und
zum Verlust an Wirksamkeit führen.
-
Gemäß WO-A-9640077
können
biologische und/oder pharmazeutische Materialien durch deren Einführen in
Schaumglasmatrizen (FGMs), die beispielsweise aus Kohlenhydraten
gebildet werden, lagerstabil gemacht werden. Das Dokument beschreibt
die Bildung von FGMs, die Masern oder das orale Poliovirus enthalten,
indem eine konzentrierte (50% Gewicht/Volumen) Trehaloselösung, die
das Virus enthält,
dem Sieden unter reduziertem Druck unterzogen wird. Produkte mit
den niedrigsten Restfeuchtegehalten wurden jedoch dann erhalten,
wenn ein flüchtiges
Salz in die Trehaloselösung
eingeführt
wurde, um die FGM-Bildung
zu verbessern.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Haltbarmachung
von Viren oder Mycoplasma unter Verwendung von Trehalose unter Bedingungen,
die dafür
sorgen, daß Wasser
entfernt wird, während
gleichzeitig die biologische Integrität des Materials aufrechterhalten
werden kann.
-
Folglich
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Haltbarmachen
eines biologisch aktiven Materials bereit, umfassend ein lebendes
Virus oder Mycoplasma, wobei das Verfahren die Schritte:
- (i) Mischen einer wäßrigen Suspension des biologisch
aktiven Materials mit einer sterilen wäßrigen Trehaloselösung, um
eine Trehalosekonzentration in dem Gemisch im Bereich von 2,5 bis
8% Gewicht/Volumen zu erhalten;
- (ii) Unterziehen des Gemisches einer ersten Trocknung für 30 bis
60 Minuten bei einem Druck von weniger als Atmosphärendruck,
wobei die Temperatur des Gemisches anfänglich nicht mehr als 37°C beträgt und so
geregelt wird, daß sie
nicht auf 0°C
oder darunter fällt,
und die schließlich
nicht mehr als 40°C
beträgt, wodurch
eine glasartige poröse
Matrix gebildet wird, die glasartige Trehalose mit einem Restfeuchtegehalt von
nicht mehr als 10% umfaßt
und in der Matrix getrocknetes biologisch aktives Material enthält; und
- (iii) Unterziehen der glasartigen porösen Matrix aus Schritt (ii)
einer zweiten Trocknung für
10 bis 30 Stunden bei einem Druck von nicht mehr als 0,1 mbar und
bei einer Temperatur, die schließlich im Bereich von 40 bis
45°C liegt,
wodurch eine Trehalosematrix mit einem Restfeuchtegehalt von nicht
mehr als 2% gebildet wird, die in der Matrix getrocknetes biologisch
aktives Material enthält.
-
Unter
Verwendung des Verfahrens der Erfindung ist es möglich, ein lebendes Virus mit,
im Vergleich zu den Verfahren des Standes der Technik, verbesserten
biologischen Eigenschaften und deutlichen kommerziellen Vorteilen
herzustellen. Impfstoffe, die unter Verwendung des Verfahrens der
Erfindung hergestellt werden, werden viel schneller als die unter
Verwendung konventioneller Gefriertrocknungsverfahren getrocknet. Beispielsweise
kann das Verfahren der Erfindung verwendet werden, um Gemische aus
Trehalose und biologisch aktivem Material auf einen Feuchtegehalt
von etwa 10% in weniger als einer Stunde zu trocknen. Ferner kann
die Dehydratisierung auf einen Restfeuchtegehalt von etwa 1 bis
2% in weniger als 30 Stunden, beispielsweise etwa 20 Stunden, im
Vergleich zu einem Zeitraum von 50 Stunden durch konventionelle
Gefriertrocknungsverfahren erreicht werden. Außerdem wird der Schaden, der
durch die Konzentration an gelöster
Substanz verursacht wird, gemäß der vorliegenden
Erfindung minimiert und insbesondere eine schädigende Eiskristallisation
vermieden. Die Wärmestabilität des biologisch
aktiven Materials, die in der glasartigen Trehalosematrix haltbar
gemacht wird, ist größer als
die von Materialien, die durch Verfahren des Standes der Technik haltbar
gemacht werden, und daher wird die Notwendigkeit der „Kühlkette", die eine ernste
Beschränkung
bei konventionellem gefriergetrocknetem Impfstoff darstellt, minimiert.
Das Produkt der vorliegenden Erfindung kann hohen Umgebungstemperaturen,
z. B. bis zu etwa 45°C,
für längere Zeiträume ohne
jeglichen wesentlichen Verlust an biologischer Aktivität ausgesetzt
werden. Zusätzlich
zu diesen und anderen Vorteilen der vorliegenden Erfindung zeigt
das Produkt des Verfahrens eine sofortige, sehr rasche Löslichkeit
bei Rehydratisierung.
-
Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ist zum Erreichen der Langzeithaltbarmachung
von Viren und Mycoplasma geeignet. Insbesondere kann es verwendet
werden, um stark labile lebende abgeschwächte Viruskomponenten und Mycoplasmakomponenten
haltbar zu machen, die rehydratisiert werden können, um Impfstoffe zu bilden.
Beispiele von solchen biologisch aktiven Materialien, die gemäß dem Verfahren
der Erfindung haltbar gemacht werden können, umfassen:
- Familie:
Paramyxoviridiae
- Unterfamilie: Paramyxovirinae
- Gattungen: Parainfluenzavirus-Gruppe, Masern, Rinderpest, Hundestaupe,
Peste-des-petitsruminants (PPR)
- Paramyxovirus: Mumpsvirus (Mumps)
- Gattung: Rubivirus, Rubella (Röteln)
- Gattung: Flavivirus, Gelbfieber-Virus (Gelbfieber)
- Gattung: Rhabdoviren, Lyssaviridiae (Tollwutvirus)
- Picorna-Viren (Poliovirus)
- Newcastle-Virus
- Mycoplasma: Mycoplasma mycoides (infektiöse Pleuropneumonie der Rindes)
- Brucelia abortus: Stamm-19-Impfstoff
- Chlamydia: Chlamydia psittaci (Enzootic abortion)
- Coccidia: Toxoplasma gondii (Toxoplasmosis)
-
Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird das biologisch aktive Material,
das haltbar gemacht werden soll, als eine Suspension in einem entsprechenden
wässerigen
Medium hergestellt. Im Falle eines Virus kann es notwendig sein,
dieses in einem entsprechenden Kulturmedium zu kultivieren, beispielsweise
in Verozellen, und dann vor der Suspension zu ernten, um eine nutzbare
Konzentration an Material bereitzustellen. Typischerweise wird der
pH der wässerigen
Suspension an biologisch aktivem Material, beispielsweise durch
die Zugabe eines Alkalis, auf einen pH in dem Bereich von 7,0 bis
7,8, insbesondere etwa 7,4, eingestellt.
-
Trehalose
ist eines der stabilsten und chemisch nicht-reaktiven Disaccharide.
Sie weist eine sehr niedrige Bindungsenergie von weniger als 1 Kcal/Mol
auf, was die Dimerstruktur sehr stabil macht. Sie unterliegt weder
einer Karamelisierung, wenn sie nicht stark erhitzt wird, noch ruft
sie die Maillard-Reaktion mit Proteinen oder Peptiden hervor. Die
natürliche
Dihydratstruktur, enthaltend zwei Wassermoleküle, ermöglicht ungewöhnliche
Flexibilität
um die Disaccharidbindung, was möglicherweise
eine engere Assoziierung mit tertiär strukturierten Biomolekülen erlaubt.
Sie ist zwar nicht hygroskopisch, zeigt aber eine sehr rasche Löslichkeit
bei der Hydratisierung, eine Eigenschaft, die speziell für getrocknete
Impfstoffe nützlich
ist.
-
Die
wäßrige Suspension
des biologisch aktiven Materials wird mit einer sterilen wäßrigen Lösung aus Trehalose
gemischt, und das Gemisch wird so hergestellt, daß es eine
Trehalosekonzentration von 2,5 bis 8% Gewicht/Volumen haben wird.
Innerhalb des Bereiches der Trehalosekonzentrationen wird die tatsächlich verwendete
Konzentration im allgemeinen von der Einheitsgröße des biologisch aktiven Materials
abhängen.
Für kleine
Virusteilchen ist weniger Trehalose erforderlich als für große Zellen.
-
Das
Gemisch aus steriler wäßriger Trehalose
und biologisch aktivem Material wird einem Vakuumtrocknungsverfahren
unterzogen, umfassend einen ersten Trocknungsschritt, gefolgt von
einem zweiten Trocknungsschritt. Bevorzugt wird eine konventionelle
Gefriertrocknungsvorrichtung (wie z. B. durch EDWARDS, CHRIST, USIFROID
oder SAVANT hergestellt) für
das Trocknungsverfahren verwendet, um eine kontrollierte Umgebung
für die
kritischen Phasen in dem Verfahren bereitzustellen. Es wird jedoch
hervorgehoben, daß,
wenn eine solche Vorrichtung verwendet wird, die Gefriertrocknungsbedingungen
nicht angewendet werden und das Material nicht dem Gefriertrocknen
unterzogen wird. Das Trocknungsverfahren umfaßt zwei Trocknungsstufen, eine
erste Trocknungsstufe, in der der Restfeuchtegehalt des Materials
auf einen Wert von nicht größer als
10% verringert wird, und eine zweite Trocknungsstufe, in der der
Restfeuchtegehalt des Materials weiter auf einen Wert verringert
wird, der 2% nicht überschreitet.
-
In
der ersten Trocknungsstufe wird die anfängliche Temperatur der Trocknungsvorrichtung
so sein, daß sichergestellt
wird, daß die
Temperatur des Trehalosegemisches nicht größer als 37°C sein wird und bevorzugt 37°C betragen
wird, um jeglichen Verlust der biologischen Aktivität in dieser
Stufe in dem Verfahren zu verhindern. Wenn Wasser aus dem Gemisch
abgedampft wird, fällt
die Temperatur des Gemisches. Die Trocknung wird jedoch so durchgeführt, daß sichergestellt
wird, daß kein
Gefrieren oder keine Sublimation aus Eis stattfindet, wie es normalerweise
in konventionellen Gefriertrocknungsverfahren der Fall ist, d. h.
die Temperatur des Produktes während
dieser Stufe des Trocknungsverfahrens wird so geregelt, daß sie nicht
auf 0°C oder
darunter fällt,
und wird typischerweise so geregelt, daß sie nicht unter 4°C fällt. Der
Druck wird unter Atmosphärendruck
verringert, bevorzugt auf einen Wert von 800 bis 300 mbar.
-
Die
erste Trocknungsstufe wird für
einen Zeitraum zwischen 30 und 60 Minuten fortgesetzt, währenddessen
die Temperatur des Trehalosegemisches anfänglich fällt, wenn Wasser abgedampft
wird, und dann steigt. Wenn eine Temperatur (unter dem eingesetzten
reduzierten Druck) von etwa 25°C
während
dieser Verfahrensweise erreicht wird, bildet die Trehalose eine
glasartige Matrix, umfassend glasartige Trehalose und enthaltend
das biologisch aktive Material, das in einem getrockneten oder teilweise
getrockneten Zustand vorliegt. Die erste Trocknungsstufe wird beendet,
wenn der Feuchtegehalt der glasartigen Matrix 10% oder weniger erreichte,
und es ist in dieser kritischen Stufe des Verfahrens wesentlich,
daß die
Temperatur 40°C
nicht überschreiten
kann. Wenn die Temperatur am Ende der ersten Trocknungsstufe 40°C überschreitet,
wird das biologisch aktive Material Schäden erleiden.
-
Das
Produkt, das aus der ersten Trocknungsstufe erhalten wird, wird
dann einer zweiten Trocknungsstufe unterzogen, bevorzugt ohne Entfernung
aus der Trocknungsvorrichtung, die für die erste Trocknungsstufe
verwendet wird. In der zweiten Trocknungsstufe wird die glasartige
Matrix, die aus der ersten Trocknungsstufe erhalten wird, weiter
unter einem reduzierten Druck dehydratisiert, der 0,1 mbar nicht überschreitet.
Die derzeit verfügbare
Spezialvorrichtung weist die Fähigkeit
auf, bei sehr niedrigen Drücken,
beispielsweise unter 0,001 mbar, betrieben zu werden. Jedoch sind
sehr gute Ergebnisse gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung von reduzierten Drücken für die zweite Trocknungsstufe
in dem Bereich von 0,001 bis 0,1 mbar, typischerweise von 0,01 bis
0,1 mbar, erhalten worden. Die zweite Trocknungsstufe wird für einen
Gesamtzeitraum in dem Bereich von 10 bis 30 Stunden, bevorzugt 20
bis 30 Stunden fortgesetzt.
-
Wie
oben erwähnt, überschreitet
die Temperatur der glasartigen Matrix am Ende der ersten Trocknungsstufe
nicht 40°C.
Während
der zweiten Trocknungsstufe kann sich die Temperatur der Matrix
leicht auf eine Endtemperatur, am Ende des Trocknungsverfahrens,
von 40°C
bis 45°C
erhöhen.
Die Trehalosematrix wird am Ende der zweiten Trocknungsstufe einen
Restfeuchtegehalt von 2% oder weniger, bevorzugt 1% oder weniger
aufweisen, um einen sehr hohen Grad an Wärmestabilität in dem Produkt sicherzustellen.
Bei solchen Restfeuchtegehalten sollte die Endtemperatur in dem
Trocknungsverfahren nicht höher
als 45°C
sein, da über 45°C das getrocknete
biologisch aktive Material in der Matrix einem gewissen Grad an
Zerstörung
unterliegen kann. Bevorzugt wird die Temperatur des Produktes am
Ende der zweiten Trocknungsstufe 44°C nicht überschreiten.
-
Es
ist durch Experimente herausgefunden worden, daß es einen gewissen Vorteil
darstellt, die Temperatur der Matrix während der zweiten Trocknungsstufe
so zu regeln, daß sie
bei etwa 37°C
für einen
Zeitraum von 15 bis 17 Stunden gehalten und dann allmählich (beispielsweise
um 0,5 bis 1°C
pro Stunde) über die
restliche Zeit der zweiten Trocknung auf eine Endtemperatur innerhalb
des Bereiches von 40°C
bis 45°C erhöht wird.
-
Die
glasartige Trehalosematrix, die gemäß dem Verfahren hergestellt
wird, kann in einem geeigneten wäßrigen Medium,
typischerweise sterilem destilliertem Wasser, sehr schnell rehydratisiert
werden, um einen Impfstoff zur Verwendung in einem sehr kurzen Zeitraum
herzustellen.
-
Die
Herstellung des Impfstoffes und das Betriebsverfahren unter Verwendung
eines Gefriertrockners für
die Trocknung von Viren, wie Rinderpest und Peste-des-petits-ruminants-Viren
und Mycoplasma ohne einen Lyophilisierungsschritt, umfassend Sublimation
aus Eis, nutzt die einmalige Eigenschaft des Disaccharids Trehalose,
tertiäre
Makromoleküle
während
der Trocknung zu schützen.
-
Im
Vergleich zu konventionellen Gefriertrocknungsverfahren bietet das
erfindungsgemäße Verfahren die
folgenden Vorteile:
Es stellt ein hohes Niveau an Virusschutz
bereit, setzt ein relativ kurzes, einfaches Verfahren ein, z. B.
einen 25-Stunden-Produktionszyklus, und verringert dadurch die Produktionszykluszeit
und die Energiekosten.
-
Eine
Grundtrocknungsvorrichtung allein ist ausreichend, obwohl technisch
ausgereifte Mikroprozessor-gesteuerte Gefriertrockner ebenso verwendet
werden können,
aber nicht unbedingt notwendig sind.
-
Das
Verfahren ist gegenüber
der Unterbrechung der Stromversorgung tolerant, ungleich der Lyophilisierung,
wo sogar ein kurzer Stromausfall das Schmelzen des Produktes verursachen
kann, was zu einem inakzeptablen Verlust an Virus führen würde.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ebenso eine rehydratisierbare Zusammensetzung
zur Herstellung eines Impfstoffes bereit, umfassend Trehalose in
Form einer metastabilen Glasmatrix mit einem Restfeuchtegehalt von
nicht mehr als 1%, die getrocknetes biologisch aktives Material,
ausgewählt
aus getrocknetem lebendem Virus und getrocknetem Mycoplasma, in
der Matrix enthält.
Bevorzugt ist das biologisch aktive Material ein lebender Virus,
ausgewählt
aus Rinderpestvirus, Peste-des-petits-ruminants-Virus, Masernvirus,
Mumpsvirus, Rubellavirus, Gelbfiebervirus, Poliovirus und Newcastle-Virus,
stärker
bevorzugt Rinderpestvirus oder Peste-des-petits-ruminants-Virus.
Alternativ kann das biologisch aktive Material ein Mycoplasma sein,
bevorzugt Mycoplasma der infektiösen
Pleuropneumonie des Rindes. Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren
zur Herstellung eines Impfstoffes bereit, umfassend die Rehydratisierung
der oben beschriebenen rehydratisierbaren Zusammensetzung in einem
geeigneten wäßrigen Medium.
-
Aufgrund
des Verlusts an Epitheliotropismus ist es in der Vergangenheit schwierig
gewesen, eine orale Impfung mit einigen abgeschwächten Virusstämmen zu
erreichen. Sowohl eine orale als auch eine intranasale Impfung würde nützlich und
für viele
Anwendungen geeignet sein, da sie den natürlichen Weg der Tröpfcheninfektion
nachahmt, was eine Kaskade an schützender Schleimhautimmunität, mit IgA-
und humoraler IgG2a-T-Helferzellen-Typ-1-Antwort, erzeugt. Es wäre leichter,
auf solchen Impfwege zu verabreichen, und dies wäre in dem Fall erreichbar,
in dem ein geeigneter Impfstoff hergestellt wird. Ein Impfverfahren
mit lebenden abgeschwächten
Stämmen,
die den natürlichen
Weg der Infektion nachahmen, induziert eine umfassendere seromuköse und zellvermittelte
Immunität.
Ein Impfstoff zur oralen oder intranasalen Verwendung kann durch
ein Verfahren hergestellt werden, umfassend das Herstellen einer
glasartigen Matrix von Trehalose, enthaltend getrocknetes Virus,
gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren, kombiniert mit einem geeigneten, positiv
geladenen, bioverträglichen
wasserlöslichen
Hilfsstoff, und Rehydratisieren der glasartigen Matrix mit einer
geeigneten wäßrigen Zusammensetzung.
Bevorzugt ist der Impfstoff zur oralen oder intranasalen Impfung ein
MMR-Impfstoff. Da der derzeitige pädiatrische MMR-Imfpstoff durch
eine konventionelle Gefriertrocknungstechnik hergestellt wird und
in den Patienten subkutan injiziert wird, würde ein oraler oder intranasaler Impfstoff
große
Vorteile bringen.
-
BEISPIELE
-
BEISPIEL 1
-
Der
abgeschwächte
Impfstoffstamm Paramyxovirus Rinderpest RBOK wuchs in sekundären Kalbsnierenzellen
für 10
Tage bei 37°C.
Die Virussuspension wurde geerntet und durch Zentrifugation bei
1000 U/min in einer gekühlten
Zentrifuge geklärt.
-
Ein
steriler Trägerstoff,
enthaltend 10% Gewicht/Volumen Trehalose und 5% Lactalbuminhydrolysat, wurde
in einem Verhältnis
von 1 : 1 zu der geklärten
Virusflüssigkeit
bei 4°C
zugegeben.
-
1,0
ml des Trägerstoff/Virus-Gemisches
wurde in sterilen neutralen 10-ml-Glasphiolen aliquotiert, die dann
mit sterilen trockenen Butylkautschukstöpseln teilweise zugestöpselt wurden.
-
Die
Phiolen wurden auf die Platte der Gefriertrocknungskammer gegeben
und die Temperatur des Produktes auf 37°C erhöht.
-
Der
Kondensator wurde gestartet, und die Kondensatortemperatur konnte
sich bei –60°C stabilisieren.
-
Die
Vakuumpumpe wurde gestartet, und die Kammer, die das Produkt enthielt,
wurde auf einen Druck von 800 mbar evakuiert und das Produkt vorsichtig
für 30
Minuten entgast, um Sputtering zu vermeiden, während vorsichtig die Produkttemperatur
geprüft
wurde, um Verdampfungsgefrieren zu vermeiden. Durch das Halten eines
Druckgradienten zwischen der Trocknungskammer und dem gekühlten Kondensator
wurden in den ersten 30 Minuten 75% des Wasserdampfes zu dem Kondensator
hin getrieben.
-
Der
Druck wurde dann auf 500 mbar verringert und eine strukturierte
metastabile glasartige Matrix gebildet. Der Druck wurde darin weiter
auf 0,10 mbar reduziert und für
30 Minuten gehalten.
-
Die
Phiolen wurden unter einem Endvakuum von 0,01 mbar verstöpselt und
abgedichtet und mit einem Aluminiumdeckel abgedeckt.
-
- Virustiter vor dem Trocknen: 104TCID/50/ml
- Virustiter nach dem Trocknen: 104TCID/50/ml
-
Die
Produktmatrix war in destilliertem Wasser schnell löslich. Dieses
Beispiel zeigt, daß die
Wirksamkeit des Virus durch die Behandlung, die in der ersten Trocknungsstufe
des Verfahrens der Erfindung eingesetzt wurde, im wesentlichen unbeeinflußt blieb.
Es zeigt außerdem
die Möglichkeit
der Dehydratisierung des Virus, um Virusimpfstoffe im industriellen
Maßstab
herzustellen.
-
BEISPIEL 2
-
Materialien
und Verfahren
-
Herstellung der RP- und
PPR-Impfstoffkulturen
-
Stämme von
Peste-des-petits-ruminants (PPRV 75/1) und Rinderpest (RBOK) wuchsen
anfänglich unter
Verwendung von Verozellen in Glasgow-Modifikations-Eagles-Medium
(GMEM), ergänzt
mit 10% Tryptosephosphatbrühe
(TPB, Difco) und 10% fetalem Kalbsserum (FCS), wie folgt:
Verozellen
wurden in 5 × 150
cm2 Kunststoffkolben bei einer Zellkonzentration
von 287.000 Zellen/ml, 60 ml pro Kolben, gesät. Zwei Kolben wurden mit 0,5
ml PPR-Virussuspension bei einer Infektionsmultiplizität von 0,03
Virusteilchen/Zelle inokuliert. Zwei Kolben wurden ebenso mit RP-Virus
inokuliert. Ein Kolben blieb als Kontrolle nicht inokuliert.
-
Die
Kolben wurden bei 37°C
in 5% CO2 inkubiert und die Zellen täglich hinsichtlich
der Entwicklung zytopathogener Effekte (cpe) untersucht. Am Tag
4 wurde das GMEM-Medium durch Hanks-Lactalbuminhefeextrakt (Hanks
LYE), enthaltend 2% FKS und 0,1% Trehalosedihydrat, ersetzt. Am
Tag 6 betrug der cpe ungefähr
80% und die Virusernten wurden zusammengefaßt, eingefroren und bei –20°C gelagert.
Der Kontrollkolben blieb in dem Inkubator für 10 Tage und war nachweislich
frei von Kontamination oder Zellabbau ohne offensichtliche Anzeichen
von adventiven Keimen.
-
Dehydratisierungsverfahren
-
Das
verwendete Dehydratisierungsverfahren kann aus zwei Hauptkomponenten
bestehen ähnlich
der Lyophilisierung: erstes Trocknen und zweites Trocknen. Der grundlegende
Unterschied zur Lyophilisierung ist, daß das Produkt nicht eingefroren
wird und das Trocknen durch einfaches Dehydratisieren, nicht durch
Sublimation aus Eis, erfolgt.
-
Die
zusammengefaßten
Virussuspensionen wurden aufgetaut und 1 : 1 mit einer sterilen
5% Gewicht/Volumen wäßrigen Lösung aus
Trehalosedihydrat verdünnt,
wodurch eine Endkonzentration von 2,5% Gewicht/Volumen Trehalose
in dem Gemisch erhalten wurde. 1 ml Volumen wurde auf jede der 5-ml-Imfstoffphiolen
verteilt, die mit trockenen, entlüfteten Butylkautschukeinlagen
teilweise verschlossen wurden. Dieser Vorgang wurde bei Raumtemperatur
in einem Raum für
biologische Risiken mit laminarer Luftströmung unter Beachtung strikter
aseptischer Vorkehrungen durchgeführt.
-
Erstes Trocknen
-
Das
Dehydratisierungsverfahren wurde unter Verwendung eines Edwards-Supermodulyo-Gefriertrockners
mit genauer Kontrolle des Kammerdrucks, des Kondensatordrucks, der
Platten- und der Produkttemperatur durchgeführt. Der Gefriertrockner wurde
vor dem Beladen der Plattenkammer mit den Phiolen, die das Produkt
enthielten, vorbereitet. Die Plattentemperatur stieg auf 40°C, und die
Kondensatortemperatur erreichte die betriebliche Grenze von –40°C. Die Phiolen
wurden dann auf die Platten gegeben, und die Inhalte erreichten
35°C. Die
Kammertür
wurde geschlossen, wobei die Makro- und Mikrolufteintrittsventile
vollständig
geöffneten
waren und die Vakuumpumpe auf vollen Gasballast geschaltet wurde.
Der Druck in der Kammer wurde durch vorsichtiges Schließen des
Makrolufteintrittsventils auf 800 mbar eingestellt. Der Druck in
dem Kondensator wurde bei 500 mbar gehalten, um einen Druckgradienten
zwischen der Kammer und dem Kondensator herzustellen, und dies stellte
die Antriebskraft bereit, um die Strömung von Wasserdampf von der
Produktoberfläche
zu dem Kondensator zu induzieren. Die Teilschließung der Phiolen mit den Stöpseln wies
ebenso die vorteilhafte Wirkung der Drosselung der Öffnung auf,
wodurch sich der Druck an der Produktoberfläche noch weiter erhöhte. Es
wurde bemerkt, daß die
teilweise verschlossenen Phiolen schneller trockneten als die vollständig geöffneten,
die die Thermoelemente zur Temperaturaufzeichnung enthielten.
-
Die
Veränderung
der Temperatur des Produktes mit der Zeit und die Veränderung
des Kammerdrucks mit der Zeit während
der ersten Trocknungsstufe sind in der beigefügten Figur gezeigt. Wie aus
der Figur hervorgeht, beginnt die Verdampfung sofort, wie durch
den Abfall der Produkttemperatur angegeben. Die Produkttemperatur
wurde in erster Linie durch vorsichtiges Schließen des Makrolufteintrittsventils
während
der ersten 15 Minuten und danach durch Manipulation des Mikrolufteintrittsventils
kontrolliert, was sicherstellt, daß das Produkt nicht gefrieren
kann. Das Halten einer Temperatur um 1 bis 2°C, hervorgerufen durch Verdampfungskühlung, erhöhte die
Verdampfungsrate, so daß 90%
des Wassers innerhalb einer Stunde verdampften, und die Produkttemperatur
begann zu steigen, so daß sie
der Plattentemperatur entsprach. Bei Fortschreiten der Dehydratisierung
wurde nach 40 Minuten ein kritischer Punkt erreicht, als es einen
plötzlichen
schnellen Anstieg auf 25°C
gab, gefolgt von einem plötzlichen
Abfall der Produkttemperatur auf 15°C innerhalb von Sekunden. Dies
war mit einer drastischen Blasenbildung des Produktes verbunden.
-
Zweites Trocknen
-
Eine
weitere Charge (Charge 2) des lebenden abgeschwächten Rinderpest-Stammes (RP)
wurde hergestellt und der ersten Trocknung für 1 Stunde unterzogen, wie
oben beschrieben. Diese wurde dann über einem Zeitraum der zweiten
Trocknung unterzogen, bei der die Temperatur über einen Zeitraum von weiteren 17
Stunden auf eine Endprodukttemperatur von 42,4°C erhöht wurde und der Druck 0,06
mbar betrug, wobei der Gasballast vollständig geschlossen war. Dies
bewirkte eine Verringerung des Restfeuchtegehalts des Materials
auf ungefähr
0,72%.
-
Eine
weitere Charge (Charge 2) des lebenden abgeschwächten Peste-des-petits-ruminants-Stammes (PPR) wurde
hergestellt und der ersten Trocknung für 1 Stunde unterzogen, wie
oben beschrieben. Diese wurde dann über einen Zeitraum der zweiten
Trocknung unterzogen. Die zweite Trocknung wurde nach 2 Stunden bei
einer Produkttemperatur von 42,8°C
und einem Kammerdruck von 0,06 mbar gestoppt. Das Produkt wies nach
diesem kurzen zweiten Trocknungsverfahren einen Restfeuchtegehalt
von 5,36% auf.
-
Der Test für die Wärmestabilität
-
Proben
aus Charge 2 von sowohl PPR als auch RP, hergestellt, wie oben beschrieben,
wurden bei 4°C,
25°C, 37°C und 45°C gelagert.
Drei Phiolen von jeder Lagertemperatur wurden für die Virustitration an den
Tagen 0, 3, 7, 10 und 14 nach der Inkubation verwendet. Das geometrische
Mittel der drei Phiolen wurde als restlicher Virustiter für jeden
Chargentyp bei jeder Temperatur für den spezifizierten Inkubationszeitraum betrachtet
(Tabellen 3 und 4).
-
Virustitrationen
-
Diese
wurden durchgeführt,
um die Wirksamkeit der ultraschnellen, einstündigen Dehydratisierung zu bestimmen,
wie durch den Grad des Schutzes, induziert durch glasartigen Trehalosezustand,
bewertet. Die Virustitrationen wurden durchgeführt, wie in den Standardbetriebsverfahren
für Rinderpest-Impfstoff
beschrieben, beschrieben von Mark, M. Rweyemamu et al., in FAO Animal
Production and Health Paper. 1994, Nr. 118. (NB FAO ist die Food
and Agriculture Organisation der Vereinten Nationen). Anmerkung:
Das Hauptorgan für die
Regulierung und Koordination der Tierimpfstoffqualität ist The
Office International Epizooties (OIE). Der OIE-Standard für die Wirksamkeit
für RP
ist 102,5 TCID50/Dosis
und für
PPR 103 TCID50/Dosis
(wo TCID die Gewebekulturinfektionsdosis ist). In den nachstehenden
Tabellen 1, 2, 3 und 4 werden die Virustiter als X log10 TCID50/ml ausgedrückt, wobei „X" die Zahl ist, die unter Test 1, 2 und
3 in jeder der Tabellen gezeigt ist.
-
Ergebnisse
und Erläuterung
-
Die
Ergebnisse, die mit paarweisen Proben von RP- und PPR-Impfstoff,
die für
eine Stunde unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens getrocknet
wurden, erhalten wurden, sind in den Tabellen l und 2 im Vergleich
zu einer Kontrollprobe von lyophilisiertem Impfstoff und ebenso
zu dem unbehandelten Stammviruspool, enthaltend 2,5% Trehalose,
dargestellt. Der Trägerstoff,
enthaltend 2,5% Trehalose, stellte einen guten Schutz des RP-Virus
nach der schnellen Dehydratisierung bei 37°C unter den Bedingungen des
reduzierten Drucks bei 800 mbar mit einem Verlust nach dem Trocknen
von 0,45 log
10TCID
50/ml
bereit. Tabelle
1 – Rinderpest-Virustitrations-Ergebnisse
nach der ersten Trocknung
-
Der
Schutz des PPR-Virus in demselben Trägerstoff war ausgezeichnet
mit einem Verlust von nur 0,15 log
10TCID
50/ml nach dem Trocknen. Tabelle
2 – Peste-des-petits-ruminants-Virustitration
-
Die
Einführung
einer zweiten Phase in das Dehydratisierungsverfahren wies klar
eine merkliche Wirkung auf die Wärmetoleranz
des Produktes auf. Diese zeigte sich anhand der Tatsache, daß die RP-Charge 2,
die 17 Stunden der zweiten Trocknung unterzogen wurde, nur log 1,9
TCID/50/ml nach zwei Wochen bei 45°C verlor. Tabelle
3 – Wärmestabilitätstest von
Rinderpest Charge 2
-
Andererseits
wies eine PPR Charge 2, die nur zwei Stunden der zweiten Trocknung
unterlag, kein nachweisbares Virus nach 14 Tagen der Inkubation
bei 45°C
auf. Tabelle
4 – Wärmestabilitätstest von
PPR Charge 2
-
Die
Dehydratisierung von Rinderpest- und PPR-Viren unter Verwendung
der beschriebenen anhydrobiotischen Verfahrensweise erzeugte innerhalb
einer Stunde eine glasartige wabenförmige Struktur mit ungefähr 10% Restfeuchte.
Es wird angenommen, daß die
beobachtete Exotherme nach 40 Minuten Trocknen die Glasübergangstemperatur
des Trehaloseträgerstoffes
unter reduziertem Druck angeben könnte, wobei sich die Trehalose
aus einer Flüssigkeit
verändert
und ein metastabiles Glas bildet (siehe Robert J. Williams and A.
Carl Leopold, The glassy state in corn embryos, Plant Physiol.,
1989, 89, 977–981).
Das Produkt in diesem Zustand mit einem Restfeuchtegehalt von etwa
10% wies eine mikrokristalline Struktur auf und zeigte eine drastische,
sehr rasche Löslichkeit
bei der Rehydratisierung mit einem Verdünnungsmittel. Tests der erhöhten Wärmestabilität an dem
Produkt mit 5,36% Restfeuchte verursachten eine inakzeptable Verschlechterung,
wie durch großen
Verlust an Virustiter nachgewiesen (Tabelle 4).
-
Der
Trägerstoff,
enthaltend halb starkes Hanks LYE, 1% FCS und 2,5% Gewicht/Volumen
Trehalose, war ausreichend, um sowohl RP- als auch PPR-Viren während der
einstündigen,
ultraschnellen Dehydratisierung zu schützen, wobei der Restfeuchtegehalt
schnell auf 10% verringert wurde (Tabellen l und 2).
-
Die
Einwirkung von 45°C
für 14
Tage bei 5,36% Feuchtigkeit zerstörte das Virus (Tabelle 4).
Jedoch hatte die Verlängerung
der zweiten Dehydratisierung für
17 Stunden die erwartete Wirkung von weiterer Verringerung der Restfeuchte
(auf weniger als 1%), wodurch für
eine erhöhte
Wärmestabilität gesorgt
wurde (Tabelle 3).
-
Der
Abfall des Titers von log 1,9 TCID/50/ml nach der Einwirkung von
45°C für 14 Tage,
während
ein minimaler Titer von log10 3,03 TCID50/ml
gehalten wurde, läßt sich
günstigerweise
mit dem erwarteten Abfall des Titers vergleichen, der in den aktuellen
lyophilisierten „wärmestabilen" (Thermovax) Impfstoffen
gefunden wurde. Der vollständige
Verlust von Virus in PPR Charge 2, die nur 2 Stunden der zweiten
Trocknung unterlag und dann ebenso 45°C ausgesetzt wurde, hebt die
schädigende
Wirkung eines hohen Restfeuchtegehalt hervor und betont die Notwendigkeit
einer Verlängerung
der zweiten Trocknung, um einen niedrigen Restfeuchtegehalt sicherzustellen.
-
BEISPIEL 3
-
Peste-des-petits-ruminants-Virus
(PPR-Virus) wurde in Verozellen in GMEM-Medium (Sigma NR. G6148),
enthaltend 10% fetales Rinderserum und 10% Tryptosephosphatbrühe (Difco),
vermehrt. Die Zellen wurden in 150-cm2-Kolben
bei einer Konzentration von 26 × 104 bis 28 × 104 Zellen
pro ml unter Zugabe von 60 ml Zellsuspension pro Kolben vermehrt.
-
Jeder
150-cm2-Kolben wurde mit ausreichend PPR-Samenvirus
bei einer Infektionsmultiplizität
(MOI) von 10–3 Virusteilchen/Zelle
inokuliert.
-
An
Tag 4 nach der Inokulation, als frühe zytopathogene Effekte (CPE)
bemerkt wurden, wurde das Medium mit Hanks-Lactalbuminhefeextrakt,
enthaltend 2% fetales Kalbsserum durch 0,1% Trehalosedihydrat (anstelle
von Glucose) ersetzt. Dies wurde durchgeführt, um die Konzentration an
gelöster
Substanz zu verringern und den osmotischen Streß während der anschließenden Dehydratisierung
zu minimieren und reduzierende Zucker, wie Glucose, zu entfernen,
die zur Maillard-Reaktion beitragen können, die während der Dehydratisierung
Nucleoproteine denaturieren kann.
-
An
Tag 6 nach der Inokulation betrug der cpe 80 bis 90%, die Virusflüssigkeit
wurde geerntet und über Nacht
eingefroren. Die gefrorene Flüssigkeit
wurde aufgetaut, um endogenes Virus freizusetzen, und bei –20°C gelagert.
-
Die
aufgetaute Virusflüssigkeit
wurde mit 16% Gewicht/Volumen sterilem wäßrigem Trehalosedihydrat (DFS
Ltd) in einem Verhältnis
von 1 : 1 gemischt, um eine Endkonzentration von Trehalose von 8%
in dem Virus-Trägerstoff-Gemisch
zu erhalten.
-
1
ml Volumen des Virus-Trägerstoff-Gemisches
wurde in sterilen 5-ml-Impfstoffphiolen verteilt (1 ml Feuchtigkeit
in jeder Phiole), und die Phiolen wurden teilweise mit entgasten
trockenen Butylkautschukstöpseln
zugestöpselt
(frisch getrocknet bei 130°C
für 3 Stunden).
Die Dehydratisierung wurde unter Verwendung eines Edwards-Super-Modulyo-Gefriertrockners
durchgeführt.
-
Der
Gefriertrockner wurde vor dem Beladen der Platte mit den Phiolen
vorbereitet. Der Kondensator wurde eingeschaltet, und die Kondensatortemperatur
konnte die Betriebsgrenze von –40°C erreichen.
Die Plattenheizung wurde eingeschaltet, und die Plattentemperatur
wurde auf 40°C
eingestellt. Die Kondensatortür
und das Ablaßventil
wurden geschlossen und die Vakuumpumpe mit vollständigem Gasballast
eingeschaltet. Als die Plattentemperatur 40°C erreichte, wurden die Phiolen
auf die Platte geladen, und ein Temperaturthermoelement wurde in
eine Phiole auf jeder Platte eingeführt und die Kammertür geschlossen,
wobei die Makro- und Mikrolufteintrittsventilen vollständig geöffnet waren.
-
Als
die Temperatur der Inhalte der Phiolen 35°C erreichte, wurden die Makrolufteintrittsventile
teilweise geschlossen, um einen Druck von 800 bis 900 mbar zu erreichen.
Während
der ersten 15 Minuten wurde der Trägerstoff in den Phiolen, die
gelöstes
CO2 aus dem Bicarbonat in dem Medium enthielten,
vorsichtig entgast. Während
dieser Phase konnte der Zugang von Trehalose zu der Viruslipidmembran
stattfinden.
-
Das
Makrolufteintrittsventil wurde weiter verschlossen, um den Druck
auf 500 mbar zu verringern. Die Temperatur des Trägerstoffes
in den Phiolen konnte auf ungefähr
4,0°C fallen,
was zeigt, daß Verdampfungskühlung stattfand.
Das Mikrolufteintrittsventil wurde vorsichtig geschlossen, während die
Trägerstofftemperatur überwacht
wurde, um die Temperatur um 4,0°C
herum zu stabilisieren. Dies ist die kritischste Phase in dem Vorgang,
man muß vorsichtig
sein, um Sputtering und/oder eine zu schnelle Verdampfung zu vermeiden,
die zum Gefrieren des Produktes führen würde. Sterile Luft wurde in
die Kammer dosiert, um einen Druckgradienten bereitzustellen, der
den Strom von Wasserdampf zu dem Kondensator för dert. Die Produkttemperatur
wurde die ganze Zeit bei 4°C
durch vorsichtige Kontrolle des Mikrolufteintrittsventils gehalten.
Nach dem Halten der Temperatur des Produktes in dem Bereich von
etwa 4°C
für 20
bis 30 Minuten wurde das Mikrolufteintrittsventil langsam geschlossen,
während
man vorsichtig sein mußte,
die Produkttemperatur von etwa 4°C
und einen Kammerdruck von 300 mbar zu halten. In dieser Stufe wurde
das Produktvolumen beträchtlich
auf eine sirupartige Konsistenz verringert. Das Mikroluftventil
war zu dieser Zeit vollständig
geschlossen.
-
Nach
ungefähr
40 Minuten von Beginn des ersten Trocknungsverfahrens stieg die
Produkttemperatur. Nach 45 Minuten war die Masse an Wasser in dem
Trägerstoff
verdampft, und das Produkt dehnte sich zu einer mikrokristallinen
wabenförmigen
Struktur aus, begleitet durch eine plötzliche Exotherme von ungefähr 15°C, als die
Trehalose zu einer metastabilen Schaumglasmatrix verglast wurde.
Danach fiel die Temperatur des Produktes, als weitere Feuchtigkeit
in dem Produkt verdampfte, wodurch ein Produkt mit einem Endfeuchtegehalt
von 10% erhalten wurde.
-
Mit
sowohl geschlossenen Makro- als auch Mikroeintrittsventilen und
geschlossenem Vakuumpumpengasballast wurde das Trocknen über Nacht
bei einem Kammerdruck von 0,1 mbar fortgesetzt, währenddessen
die Produkttemperatur 40°C,
die Temperatur der Platte in der Kammer, erreichte. Das Trocknen
wurde fortgesetzt, um eine Gesamttrocknungszeit von 24 Stunden zu
erreichen, in der die Plattentemperatur in der Kammer 1,0°C pro Stunde
für mindestens
4 Stunden der Trocknungszeit stieg, was in einer Endtemperatur (Platte
und Produkt) von 44°C
gipfelte. Während
des Haltens eines Kammerdrucks von 0,06 mbar wurden die Phiolen
verschlossen und mit Aluminiumdichtungen abgedeckt.
-
Proben
des dehydratisierten Produktes, das gemäß diesem Beispiel hergestellt
wurde, wurden bei 45°C
für 14
Tage gelagert, und der Virustiter wurde, wie in Beispiel 2 oben
beschrieben, bestimmt. Es wurde bestimmt, daß der Restfeuchtegehalt des
Produktes, das gemäß der obigen
Verfahrensweise dehydratisiert wurde, ungefähr 1,0% betrug. Nach der Lagerung
bei 45°C
für 14
Tage wurde festgestellt, daß die
Proben des Produktes nur in einem geringen Grad an Viruswirksamkeit
verloren und zur Herstellung von nutzbarem Impfstoffmaterial geeignet
waren.
-
BEISPIEL 4
-
Zur
Herstellung von stabilisiertem RP wurde der obigen Verfahrensweise
von Beispiel 3 unter Verwendung einer RP-Viruskultur anstelle der
PPR-Kultur, die in Beispiel 3 beschrieben ist, gefolgt. Das Trocknungsverfahren
erzeugte ebenso stabilisiertes RP mit relativ geringem Verlust an
Titer nach der Lagerung bei 45°C für 14 Tage.