Angst vor Nadeln? Eine Gaswolke könnte eines Tages Ihren Impfstoff liefern

Yalini Wijesundara starrte auf die Luftpistole, die in ihrem Labor stand.

Ihr Laborleiter, Jeremiah Gassensmith, hatte es aus pandemiebedingter Langeweile gebaut und in seinem Heimbüro Speisesalz verstreut. Als der Lockdown endete, brachte er es in sein Biochemielabor und bat Wijesundara, einen Forschungszweck dafür zu finden.

Wijesundara, damals ein Doktorand im ersten Jahr an der University of Texas in Dallas, war gerade von Sri Lanka nach Texas gezogen. Sie fühlte sich wie ein Fisch auf dem Trockenen, während sie immer noch darüber nachdachte, wie das Labor funktionierte. „Lass dir Zeit“, sagte Gassensmith zu ihr. Du wirst es rausfinden.

Zwei Jahre später knackte Wijesundara den Code. Sie erweckte Gassensmiths altes Luftgewehr zu neuem Leben und schuf ein System zur Abgabe von Impfstoffen mit einem Gasstoß. Es sei weniger schmerzhaft als herkömmliche Nadelimpfstoffe, sagte Wijesundara, vergleichbar mit dem Treffer einer Nerf-Kugel. Die Forschung wurde letztes Jahr in der Zeitschrift Chemical Science veröffentlicht.

Es ist noch ein langer Weg, bis die Menschen Gasstoß-Impfstoffe erhalten können, aber Wijesundara und Gassensmith setzen sich dafür ein, eine weniger beängstigende Möglichkeit zu schaffen, lebensrettende Medikamente zu verabreichen.

„Wir müssen bei unserer Fähigkeit vorankommen, die Impfung so schmerzlos wie möglich zu gestalten“, sagte Gassensmith.

Bastelspielzeug und Chemie

Bevor er nach Texas zog, studierte Wijesundara metallorganische Gerüste (MOFs) an der Universität Peradeniya in Sri Lanka. MOFs sind Metallionen und stäbchenförmige organische Moleküle, die sich wie Tinkertoys zu komplexen Käfigen zusammenfügen. Diese Käfige können Gase, Proteine ​​und sogar DNA enthalten. Bei der Auswahl eines Doktorandenprogramms stellte Wijesundara fest, dass das Chemielabor von Gassensmith an der UTD MOF-„Käfige“ zur Aufnahme pulverförmiger, haltbarer Impfstoffe entworfen hatte. Es hat perfekt gepasst.

Angesichts der Luftpistole fragte sich Wijesundara, ob sie die pulverförmigen Impfstoffe in Menschen schleusen könnte.

Sie tauchte in die Geschichte der Impfstoffe ein und stellte fest, dass Hochdruck-Impfstoffinjektoren in den 1950er Jahren populär wurden. Diese Injektoren verwendeten einen Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahl, um Impfstoffe durch die Haut zu schleusen. Diese Flüssigkeitsinjektoren waren nicht nur schmerzhaft, sondern es konnten auch Körperflüssigkeiten zurück auf die Injektordüsen spritzen, was die Ausbreitung von Krankheiten wie Hepatitis B und C begünstigte.

„Mir wurde klar, dass wir dieses Problem lösen können“, sagte Wijesundara, „weil wir einen festen [Impfstoff] verwenden, bei dem es keine Rückspritzprobleme gibt.“

Eine „kleine therapeutische Kugel“

Wijesundara fand den idealen Druck und Abstand von der Haut heraus, um einen Impfstoff mit der Luftpistole voranzutreiben, die sie modifizierte, um den „MOF-Jet“ zu schaffen. Sie verwendete ein MOF, das Zink enthält – ein im ganzen Körper vorkommendes Mineral –, um den Impfstoff zu transportieren. Sie drehte auch die Düse der Pistole, um den Impfstoff bis zur Injektion festzuhalten.

Mit einem Knopfdruck öffnet und schließt sich das Ventil der MOF-Düse schnell und schießt eine Impfstoff-„Kugel“ in einen Zinkkäfig. Sobald der Käfig in die Haut eindringt, wird er durch Salze in unserer Hautflüssigkeit auseinandergezogen und der Impfstoff freigesetzt.

Wijesundara und Gassensmith testeten den MOF-Jet an Pflanzenzellen und Mäusen mit einem Protein, das üblicherweise in Impfstoffexperimenten verwendet wird.

Während der Tests entdeckten Wijesundara und Gassensmith eine weitere nützliche Eigenschaft des MOF-Jets. Als der Impfstoff mit einem sauren Gas wie Kohlendioxid durch die Haut geschleudert wurde, löste sich der Zinkkäfig schnell auf und gab seinen Inhalt innerhalb von 24 Stunden frei. Als sie jedoch ein neutraleres Gas wie Luft verwendeten, zerfiel der Käfig im Laufe von ein bis zwei Wochen langsam.

„Sie können effektiv steuern, ob Sie das Medikament sofort benötigen oder nicht, oder ob Sie möchten, dass das Medikament über einen längeren Zeitraum hinweg langsam freigesetzt wird“, sagte Gassensmith.

Laut Tim Corcoran, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen am University of Pittsburgh Medical Center, erforschen viele Forschungsteams neue Wege zur Verabreichung von Medikamenten und Impfstoffen. Transdermale Pflaster, die Medikamente durch die Haut übertragen können, und ultradünne „Mikronadeln“ sind zwei Methoden, die untersucht werden.

Obwohl sich die Forschung von Wijesundara und Gassensmith noch in einem frühen Stadium befindet, sagte Corcoran, dass das Design der MOF-Partikel und die zeitliche Freisetzung ihres Inhalts dem Fachgebiet etwas Neues hinzufügen.

„Das Konzept, die kleine therapeutische Kugel wirklich kontrollieren zu können und sie genau das tun zu lassen, was man will, ist hier wirklich neu“, sagte Corcoran, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Nadelfreie Zukunft

Gassensmith sagte, der MOF-Jet könne zur Injektion von Grippe- und COVID-19-Impfstoffen sowie einigen Diabetesmedikamenten und Allergiespritzen verwendet werden. Der MOF-Jet konnte keine Medikamente injizieren, die sofort wirken müssen, wie zum Beispiel Medikamente in der Notaufnahme.

Es ist noch lange nicht in der Arztpraxis eingesetzt und muss noch an Menschen getestet werden, abgesehen davon, dass Gassensmith es selbst im Labor ausprobiert hat. Wijesundara und Gassensmith müssen außerdem den klobigen Prototyp in ein einfach zu bedienendes Gerät umwandeln.

„Es sieht aus wie etwas, das man in einer Autowerkstatt findet, nicht wie etwas in der Arztpraxis“, sagte Gassensmith.

Wijesundara untersucht, ob der MOF-Jet zur Behandlung einer Hautkrebsart namens Melanom eingesetzt werden könnte. Die MOFs könnten die Behandlungen im Vergleich zu einer Nadel gleichmäßiger im Körper verteilen und Ärzte könnten die Freisetzung der Medikamente zeitlich steuern.

Die ersten Tage bei der Arbeit an diesem Projekt seien eine Herausforderung gewesen, erinnert sich Wijesundara. Nachdem sie einen Zweck für das mysteriöse Luftgewehr gefunden hat, unternehmen sie und ihr Labor Schritte in Richtung einer nadelfreien Zukunft.