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Jun 03, 2023

Photochemisches Gerät fördert CSU-Forschung im Bereich Infektionskrankheiten im Bereich Impfstoffe

von Anne ManningFotos von John Eiseleveröffentlicht am 2. August 2022 Kurz nach COVID-19

by Anne Manningphotos by John Eiselepublished Aug. 2, 2022

Kurz nachdem COVID-19 im Jahr 2020 zu einer Pandemie wurde, wurden Life-Science-Forscher der Colorado State University aktiv und nutzten jahrzehntelanges Fachwissen in den Bereichen Mikrobiologie, Immunologie und Infektionskrankheiten, um einen Impfstoffkandidaten zu entwickeln, der gegen das neue Coronavirus wirken könnte.

Zwei Jahre später floriert die CSU-Forschung zu Impfstoffen gegen alle Arten von Krankheiten – nicht nur gegen COVID-19. Dies ist zum Teil auf ein einzigartiges Gerät zur Herstellung und Prüfung von Impfstoffen zurückzuführen, das von CSU-Ingenieuren entworfen und prototypisiert wurde – eine Idee, die in den frühen, hektischen Tagen der Pandemie entstand. Jetzt wird dieser speziell angefertigte photochemische Hochintensitäts-Durchflussreaktor mit der Bezeichnung „VacciRAPTOR“ in die umfassenderen Coronavirus- und anderen Forschungsanstrengungen der Universität integriert, da er zur Inaktivierung vieler Arten von Viren und Krankheitserregern eingesetzt werden kann.

Der VacciRAPTOR wurde von einem Team von Ingenieuren im Rapid Prototyping Lab des Energy Institute unter der Leitung von John Mizia, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter, gebaut. Der leitende Ingenieur des Labors, Matt Willman, leitete das Gerätedesign, und Masterstudent Andrew Andraski leitet die Charakterisierung und Prüfung. Die Ingenieure arbeiteten bei dem Projekt mit dem Impfstoffforschungsteam unter der Leitung von Raymond Goodrich, Geschäftsführer des Infectious Disease Research Center und Professor in der Abteilung für Mikrobiologie, Immunologie und Pathologie, zusammen.

Nach zweijähriger Prototypenentwicklung gelangte der VacciRAPTOR kürzlich vom Powerhouse Energy Campus zu den Forschungslabors für Infektionskrankheiten auf dem Foothills Campus. Jetzt ermöglicht es die Herstellung und Prüfung von Impfstoffen gegen zahlreiche Krankheiten um ein Vielfaches schneller und effizienter als mit früheren Systemen und ermöglicht so einen reibungsloseren und schnelleren Weg zu klinischen Studien.

Der Ingenieur-Masterstudent Andrew Andraski, die DVM-Studentin Alina Vise und die Ingenieurstudentin Katherine Compton bereiten den VacciRAPTOR für einen Testlauf mit einer Zika-Viruslösung vor.

Zu Beginn der Pandemie begannen Goodrich und Kollegen zu testen, ob eine bestehende Technologie zur Pathogeninaktivierung, die das Vitamin Riboflavin und ultraviolettes Licht kombiniert, zur Entwicklung eines Coronavirus-Impfstoffs verwendet werden könnte. Ihr Ziel war es, einen Impfstoff auf Basis eines inaktivierten, intakten Virus zu entwickeln, der die Immunantwort stimuliert, aber beim Patienten keine Krankheit verursacht.

Die Technologie basiert auf zwei Jahrzehnten Arbeit von Goodrich und Kollegen, die zuvor mithilfe derselben Photochemie eine Technik zur Pathogeninaktivierung bei Bluttransfusionen erfunden hatten. Anfang 2020 fanden Goodrich und Kollegen heraus, dass die photochemische Reaktion von Riboflavin und UV-Licht, die zur Reduzierung von Krankheitserregern im Blut beiträgt, auch bei SARS-CoV-2 funktioniert, dem Virus, das COVID-19 verursacht. Ihre anschließende Arbeit zum Nachweis der Wirksamkeit dieses Prozesses für die Entwicklung von Humanimpfstoffen wurde von den National Institutes of Health unterstützt. Dieses Verfahren ist jetzt als SolaVAX™ lizenziert und von Solaris Vaccines, Inc. exklusiv für die Arbeit mit Humanimpfstoffen lizenziert.

DVM-Studentin Elizabeth Sullivan hilft bei der Vorbereitung des VacciRAPTOR für einen Testlauf mit Zika-Viruslösung.

Um ihren SolaVAX™-Impfstoffentwicklungsprozess zu testen, verwendeten die Forscher für Infektionskrankheiten eine modifizierte Version eines Geräts, das kommerziell als Mirasol Pathogen Reduction Technology System bekannt ist und das Goodrich und Kollegen vor über einem Jahrzehnt erfunden haben. Die Mirasol-Technologie gehört dem Medizingeräteunternehmen Terumo BCT, bei dem Goodrich einen Teil seiner Karriere verbrachte. Es wird häufig von Blutbanken verwendet, um gespendetes Blut von Viren, Bakterien und Parasiten zu befreien. Das Blut wird in durchsichtigen Plastiktüten gesammelt – die jedem bekannt sind, der Blut gespendet hat – und dann in die Mirasol-Maschine geladen und UV-Licht ausgesetzt.

Während dieser Aufbau es den CSU-Impfstoffforschern ermöglichte, das Konzept zu beweisen, dass die Technologie auch bei Coronaviren funktioniert, war dies begrenzt, da jeweils nur ein Beutel mit Viruslösung verarbeitet werden konnte, erklärte Lindsay Hartson, Leiterin des Goodrich-Labors am Infectious Disease Forschungszentrum.

„Es ist großartig für Blut, aber wenn wir über die Ausweitung der Produktion von Impfstoffen auf große Mengen sprechen, ist es kein praktikables oder effizientes Modell“, sagte Hartson.

Goodrich fügte hinzu: „Ich denke, wir haben schon früh erkannt, dass dies im kleinen Maßstab funktionieren würde und sicherlich dazu beitragen würde, Dinge wie frühe Tierstudien und toxikologische Arbeiten zu unterstützen. Aber wenn wir wirklich in der Lage sein wollten, Impfstoffe in großen Mengen herzustellen, dann.“ Auf effiziente und effektive Weise mussten wir viel mehr erledigen, als beispielsweise jeweils einen Beutel nach dem anderen in das Gerät zu geben, es mit einem Volumen von 600 Millilitern laufen zu lassen und das immer und immer wieder zu wiederholen.“

Geben Sie das neue VacciRAPTOR-Gerät ein. Die Ingenieure nutzten den wesentlichen photochemischen Nutzen des Mirasol-Geräts und konfigurierten es neu, um schneller und mit größeren Mengen an Viruslösung zu arbeiten. Das Gerät besteht aus einem Spulensystem, durch das die mit Riboflavin vorgemischte Viruslösung gleichmäßig von einem Kreis fluoreszierender Lichter mit ganz bestimmten Wellenlängen beleuchtet wird.

Die kundenspezifische Konstruktion des VacciRAPTOR umfasst ein Spulensystem, durch das die Viruslösung fließt, während sie UV-Licht ausgesetzt wird.

Der SolaVAX™-Prozess basiert auf einer traditionellen Impfstofftechnologie – die Verwendung eines inaktivierten viralen Krankheitserregers zur Stimulierung einer Immunantwort – ähnlich wie bei der Herstellung des Grippeimpfstoffs. Aber SolaVAX™ verwendet das sichere, harmlose Vitamin Riboflavin, besser bekannt als Vitamin B2, anstelle von giftigen Chemikalien wie Formalin, Beta-Propiolacton oder anderen, die am Ende des Prozesses aus der Lösung entfernt werden müssen. Mit anderen Worten, erklärte Hartson, ihre Methode sei eine „sanftere“, aber nicht weniger wirksame Methode, Krankheitserreger inert zu machen und gleichzeitig die antigenen Proteine ​​zu erhalten, die die gewünschte Immunantwort stimulieren.

Das Design des VacciRAPTOR wurde von einer früheren Zusammenarbeit zwischen Mizia und Goodrich inspiriert, in der sie ein Wasserreinigungsgerät entwickelten, das die gleiche Riboflavin-UV-Licht-Chemie nutzte.

Der Riboflavin-UV-Lichtprozess erfordert, dass jedes Flüssigkeitsvolumen gleichmäßig und gleichmäßig beleuchtet wird, erklärte Mizia die technischen Herausforderungen des Projekts. „Wenn Sie sich vorstellen, dass Sie eine große Lichtquelle und eine große Platte haben, um zu versuchen, die gesamte Oberfläche abzudecken, und Sie die Flüssigkeit einfließen lassen, was wäre, wenn die Ecke hier nicht so viel Beleuchtung erhält wie die Mitte?“ Sagte Mizia. „Die Lösung dieses Problems bestand darin, einen relativ kleinen Durchgang durch ein homogenes Lichtfeld zu schaffen. So kamen wir auf die Spulenidee.“

Das Original-Gerät zur Reduzierung von Bluterregern von Mirasol behandelt etwa 30 Milliliter (oder eine Unze) Flüssigkeit pro Minute. Im Vergleich dazu kann das neue Gerät mit hohem Durchfluss der Ingenieure etwa 1.000 Milliliter (oder einen Liter) Flüssigkeit pro Minute inaktivieren, so Andraski, der Masterstudent im Maschinenbau, der mit Mizia und Willman am VacciRAPTOR gearbeitet hat und seine Abschlussarbeit schreibt auf die Technik.

„Wir gehen davon aus, dass diese Einheit letztendlich mehr als 80 Liter pro Stunde oder etwa 100.000 Impfdosen pro Stunde verarbeiten kann“, sagte Andraski.

Izabela Ragan, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Biomedizinische Wissenschaften, ist Teil des Teams, das den VacciRAPTOR verwendet, um Impfstoffe herzustellen und zu testen, darunter einen Pan-Coronavirus-Impfstoff und einen gegen Leishmaniose. „Der aktuelle Plan besteht darin, dieses neue Gerät für unsere Forschungsprogramme zu nutzen und weitere inaktivierte Impfstoffkandidaten gegen Parasiten, Bakterien und Viren zu entwickeln“, sagte Ragan. „Dieses Gerät wird dazu beitragen, das für präklinische Tests benötigte Impfstoffmaterial herzustellen.“

Dr. Izabela Ragan, Assistenzprofessorin für biomedizinische Wissenschaften, und DVM-Studentin Alina Vise analysieren behandelte Proben der Zika-Viruslösung, nachdem sie den VacciRAPTOR durchlaufen haben.

Darüber hinaus könnte der VacciRAPTOR neue Wege zur schnelleren, effizienteren und sichereren Herstellung von Impfstoffen gegen Polio, Grippe und andere Viren in Regionen der Welt anregen, in denen der Zugang zu Impfstoffen weiterhin eine Herausforderung darstellt, fügte Goodrich hinzu.

Die Zusammenarbeit am photochemischen Reaktor VacciRAPTOR erhielt im vergangenen Jahr von der Anschutz Foundation einen Schub. Das Team gewann einen Teil einer 2-Millionen-Dollar-Spende an die CSU, mit der Projekte zur Verhinderung zukünftiger Pandemien finanziert werden. Mizias Team am Powerhouse Energy Campus verwendet diese Mittel, um das Design des Geräts weiter zu verfeinern, einschließlich eines besseren Wärmemanagements und einer Touchscreen-Benutzersteuerung.

Goodrich dachte über die Partnerschaft mit Mizia und dem Team nach, das die Impfstoffforschungskapazitäten der CSU auf ein neues Niveau bringt.

„Innovation bedeutet wirklich, Menschen mit unterschiedlichen Talenten und unterschiedlichen Fähigkeiten zusammenzubringen, um an einem Problem zu arbeiten“, sagte Goodrich. „Sie brauchen Leute mit einem technischen Hintergrund. Sie brauchen Leute, die wissen, wie man Schaltkreise verdrahtet und Lichtsysteme installiert und Überwachungsgeräte und Strömungssysteme entwirft. Sie brauchen Leute mit einem biologischen Hintergrund, um zu wissen, wie man das Virus züchtet. Nichts davon.“ Dies geschieht ohne Zusammenarbeit und Zusammenarbeit, wie wir sie hier bei der CSU haben.

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