Unter­su­chun­gen am FRM II hel­fen bei der Ent­wick­lung von mRNA-Medikamenten

Eine wich­ti­ge Rol­le bei der Unter­su­chung von mRNA Nano­par­ti­keln spielt die For­schungs-Neu­tro­nen­quel­le Heinz Mai­er-Leib­nitz (FRM II) der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM), ähn­lich zu denen die im Covid-19-Impf­stoff der Fir­men Bio­N­Tech und Pfi­zer ein­ge­setzt wer­den. Mit Hil­fe des in Gar­ching ver­füg­ba­ren hohen Neu­tro­nen­flus­ses gelang es den For­schen­den am Heinz Mai­er-Leib­nitz Zen­trum (MLZ), unter­schied­li­che For­mu­lie­run­gen für den mRNA-Impf­stoff zu cha­rak­te­ri­sie­ren und damit Grund­la­gen für die Ver­bes­se­rung von deren Wirk­sam­keit zu schaffen.
Mes­sen­ger-RNA (mRNA, deutsch „Boten-RNA“) als Wirk­sub­stanz zu ver­wen­den ist im Prin­zip eine genia­le Idee: Das Mole­kül ent­hält den spe­zi­fi­schen Bau­plan für Pro­te­ine, die dann von der Zel­le syn­the­ti­siert wer­den. Damit kann grund­sätz­lich eine sehr gro­ße Band­brei­te unter­schied­li­cher the­ra­peu­tisch wirk­sa­mer Pro­te­ine bereit­ge­stellt werden.
Im Fall des Covid-19 Impf­stoffs sind das die Pro­te­ine der cha­rak­te­ris­ti­schen Spikes auf der Ober­flä­che des Coro­na-Virus, die für die Imp­fung ein­ge­setzt wer­den. Die­se wer­den auf der Ober­flä­che von Immun­zel­len prä­sen­tiert wor­auf­hin das Immun­sys­tem des Men­schen die Abwehr gegen die­se kör­per­frem­den Eiweiß­stof­fe und damit gegen die Coro­na-Viren ein­lei­tet. Die mRNA selbst wird nach weni­gen Stun­den wie­der voll­stän­dig abge­baut, was vor­teil­haft für die Sicher­heit die­ser Impf­stof­fe ist.

Der Weg zur bes­ten Verpackung

Damit die mRNA nicht schon auf dem Weg zur Zel­le von den all­ge­gen­wär­ti­gen Enzy­men des Kör­pers abge­baut wird, muss man sie ent­spre­chend ver­pa­cken. Dies geschieht durch Nano­par­ti­kel, die aus einer Mischung aus Lipi­den oder Poly­me­ren bestehen können.
Die Lipi­de sind Fett­mo­le­kü­le, die den Mole­kü­len der Zell­hül­le ähneln und dabei hel­fen, die mRNA ins Zel­lin­ne­re abzu­ge­ben. Lipi­de und Bio­po­ly­me­re wer­den danach vom Kör­per wie­der abge­baut oder ausgeschieden.
In Zusam­men­ar­beit mit der Grup­pe von Prof. Peter Lang­guth, Abtei­lung Phar­ma­zeu­ti­sche Tech­no­lo­gie am Insti­tut für Phar­ma­zeu­ti­sche und Bio­me­di­zi­ni­sche Wis­sen­schaf­ten der Johan­nes-Guten­berg Uni­ver­si­tät Mainz, ent­wi­ckel­te das von Dr. Hein­rich Haas gelei­te­te For­mu­lie­rungs­team der Fir­ma Bio­N­Tech zu die­sem Zweck eine Rei­he von For­mu­lie­run­gen, bei denen die Nano­par­ti­kel aus in der Phar­ma­zie bereits bewähr­ten Lipi­den und Bio­po­ly­me­ren in unter­schied­li­chen Mischun­gen bestanden.

Die Durch­leuch­tung mit Neutronen

Um die Eigen­schaf­ten ver­schie­den zusam­men­ge­setz­ter Nano­par­ti­kel mit­ein­an­der zu ver­glei­chen, unter­zo­gen die For­schen­den sie unter­schied­lichs­ten Unter­su­chun­gen. Neben Rönt­gen- und mikro­sko­pi­schen Ana­ly­sen zähl­te dazu auch die Bestrah­lung mit Neu­tro­nen am Instru­ment KWS‑2, das das For­schungs­zen­trum Jülich am FRM II der TU Mün­chen in Gar­ching betreibt.
Die Neu­tro­nen wer­den dabei im Inne­ren der Nano­par­ti­kel unter ande­rem an den Was­ser­stoff­ker­nen gestreut und auf cha­rak­te­ris­ti­sche Wei­se von ihrem Weg abge­lenkt. Dar­aus las­sen sich Rück­schlüs­se auf deren Ver­tei­lung zie­hen. Tauscht man nun die Was­ser­stoff­ato­me bestimm­ter Kom­po­nen­ten – zum Bei­spiel nur der Lipi­de – gegen schwe­ren Was­ser­stoff aus, ändern sich zwar nicht die che­mi­schen Eigen­schaf­ten oder die phar­ma­zeu­ti­sche Wir­kung, jedoch die Streu­ung der Neutronen.
„Mit die­ser Metho­de las­sen sich Tei­le einer kom­ple­xen Mehr­kom­po­nen­ten-Mor­pho­lo­gie selek­tiv her­vor­he­ben, ohne die phy­si­ka­li­sche Che­mie der Pro­be zu ver­än­dern“, sagt Dr. Aurel Radu­les­cu vom Jülich Cent­re for Neu­tron Sci­ence (JCNS), der für das Instru­ment KWS‑2 ver­ant­wort­lich ist und die Aus­wer­tung der Mess­ergeb­nis­se lei­te­te. „Auf die­se Wei­se kön­nen Struk­tur­ei­gen­schaf­ten dar­ge­stellt wer­den, die mit ande­ren Metho­den nicht oder kaum sicht­bar zu machen sind.“

Das rech­te Maß an Ord­nung macht‘s

Bei die­sen Ana­ly­sen inter­es­sier­ten sich die For­schungs­teams dafür, wie effi­zi­ent die Über­tra­gung der mRNA in die Zel­le, die soge­nann­te Trans­fek­ti­on, bei den unter­schied­li­chen For­mu­lie­run­gen funk­tio­nier­te. Auf die­se Wei­se fan­den die For­sche­rin­nen und For­scher her­aus, dass die höchs­te Trans­fek­ti­ons­ra­te mit Nano­par­ti­keln erhal­ten wur­de, die sich durch eine bestimm­te Art der inne­ren Ord­nung auszeichnen.

„Immer wenn sich geord­ne­te und weni­ger geord­ne­te Berei­che im Inne­ren der Nano­par­ti­kel in cha­rak­te­ris­ti­scher Wei­se abwech­sel­ten wur­de eine hohe bio­lo­gi­sche Akti­vi­tät fest­ge­stellt. Hier­bei könn­te es sich um ein all­ge­mein­gül­ti­ges Kon­zept der Struk­tur-Akti­vi­täts­be­zie­hung han­deln, das unab­hän­ging von den hier unter­such­ten Syte­men anwend­bar ist.“
— Dr. Hein­rich Haas

Ein ver­bes­ser­tes Verfahren

Um die gewünsch­ten Struk­tur­ei­gen­schaf­ten zu erhal­ten muss­ten Lipi­de und Bio­po­ly­me­re mit genau bestimm­ten Ver­fah­ren mit der mRNA zusam­men­ge­bracht wer­den. Dabei konn­ten das For­schungs­team zei­gen, dass sich die Nano­par­ti­kel zur Ver­pa­ckung der mRNA in einem Schritt her­stel­len las­sen, was im Ver­gleich zu einem ursprüng­lich eben­falls erprob­ten Zwei-Schritt-Ver­fah­ren eine erheb­li­che Ver­ein­fa­chung bedeutet.
So konn­te am Ende eine ver­ein­fach­te Metho­de zur Her­stel­lung von mRNA Nano­par­ti­keln mit ver­bes­ser­ter Akti­vi­tät gefun­den wer­den. „Sol­che Fra­gen der prak­ti­schen Her­stell­bar­keit stel­len eine wich­ti­ge Vor­aus­set­zung für die Ent­wi­ckel­bar­keit phar­ma­zeu­ti­scher Pro­duk­te dar“, stellt Prof. Lang­guth klar. In der Zukunft kön­nen sol­che Kon­zep­te in der Ent­wick­lung neu­er mRNA basier­ter The­ra­peu­ti­ka mit berück­sich­tigt werden.
Die Arbei­ten wur­den geför­dert durch das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF), die Deut­sche For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) im Rah­men des Son­der­for­schungs­be­reichs SFB 1066, das Max Planck Gra­dua­te Cen­ter (MPGC-Mainz) und den Lewis Trust.
Die Klein­win­kel-Neu­tro­nen­streu­ungs-Expe­ri­men­te (Small Ang­le Neu­tron Scat­te­ring, SANS) wur­den am Instru­ment KWS‑2 an der For­schungs-Neu­tro­nen­quel­le FRM II der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen durch­ge­führt. Im Rah­men des Heinz Mai­er-Leib­nitz Zen­trums wird das Instru­ment dort vom Jülich Cent­re for Neu­tron Sci­ence betrieben.
Die Klein­win­kel-Rönt­gen­streu­ungs-Expe­ri­men­te (Small Ang­le X‑ray Scat­te­ring, SAXS) wur­den an der vom Euro­päi­schen Labo­ra­to­ri­um für Mole­ku­lar­bio­lo­gie (EMBL) betrie­be­nen P12-Beam­li­ne an der PETRA III Syn­chro­tron-Strah­lungs­quel­le des Deut­schen Elek­tro­nen Syn­chro­tron (DESY) in Ham­burg durchgeführt.