Virus-like particles – Biocontainer für Wirkstofftransport und Vakzinierung

Neben der gewünschten therapeutischen Wirkung ruft eine Vielzahl von Medikamenten auch starke Nebenwirkungen hervor. Eine gezielte Applikation der Medikamente unmittelbar am Wirkort kann die Nebenwirkungen stark verringern. Einige neue Wirkstoffe werden dadurch erst einsetzbar.

In der Impfstoffentwicklung sind Vehikel gefragt, die Zielstrukturen an ihrer Oberfläche hochvalent, das heißt in großer Zahl, und in kombinierter Form präsentieren.

Virus-like particles (Virus-ähnliche Partikel, VLP) sind biobasierte Kapseln, die Viren nachahmen und vielfältig eingesetzt werden können. VLPs können bei der Virusreplikation als natürliche nicht-infektiöse Nebenprodukte entstehen, die kein Virusgenom enthalten. Alternativ dazu können VLPs gentechnisch hergestellt werden, wobei sich Protein-Bausteine spontan zu einer geometrischen Struktur mit Hohlraum zusammenlagern.

VLPs eignen sich zum Verpacken und zur Zielsteuerung von Wirkstoffen (Drug delivery), da sie therapeutische Agentien in hoher Konzentration, nebenwirkungsarm und zielgerichtet intravenös transportieren können.

Aufgrund ihrer Stabilität, Größe und Multivalenz eignen sich VLPs außerdem hervorragend als Basis von Impfstoffen, etwa gegen Viren, die sich in vitro nicht oder nur schwer züchten lassen, oder gegen Fremdproteine, die an der Oberfäche präsentiert werden. Aufgrund ihrer Biokompatibilität und vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten zeichnet sich ein großes Interesse der pharmazeutischen Industrie an ihnen ab.

Der breite Einsatz von VLPs ist momentan dadurch limitiert, dass standardisierte und effziente Herstellungsverfahren fehlen, um, ähnlich wie bei einem Baukastensystem, unterschiedliche VLPs mit spezifscher Beladung an verschiedene Wirkorte zu bringen. Außerdem müssen die Reinigungsschritte bei der Partikelherstellung für jedes Protein bzw. VLP spezifsch entwickelt werden. Diese empirische und individuell angepasste Herangehensweise ist zeit- und kostenintensiv und damit eine Herausforderung für die industrielle Produktion.

In einem neuen Vorhaben am Fraunhofer IGB wollen wir eine Art modulares System als Plattformtechnologie zur Herstellung von VLPs entwickeln. Ein Grundmodul mit einer inneren Kapselstruktur wird gentechnisch mit einer funktionellen, variablen und komplex zusammengesetzten Proteinoberfäche verbunden, die entweder der Zielsteuerung der VLPs (Drug delivery) oder der Impfstoffentwicklung dient.

Zur multivalenten Funktionalisierung der Oberfäche können zum Beispiel Antikörperfragmente oder Antigene eingesetzt werden. Da das Grundmodul immer unverändert bleibt und nur die Proteinoberfäche spezifsch gestaltet wird, kann die Produktion der VLPs im Vergleich zu derzeitigen Systemen standardisiert und damit reproduzierbar und kostengünstig erfolgen.

Als Basis werden hüllenlose Viren der Familie Caliciviridae herangezogen. Zur Synthese der VLPs in der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) wurden Plasmide entwickelt, die für Varianten der Virusproteine kodieren. Die Bäckerhefe ist zur Herstellung von VLPs besonders gut geeignet, da in diesem Organismus Proteine für pharmazeutische Anwendungen nebenwirkungsarm und kostengünstig hergestellt werden können.

Eine VLP-Grundstruktur konnte auf diese Weise bereits erfolgreich hergestellt und charakterisiert werden. Damit steht ein System zur Exression und Isolierung von nativen caliciviralen VLPs zur Verfügung, sodass im Anschluss ein Downstream Processing etabliert werden kann. Ziel ist es, auf Basis dieser VLPs ein effzientes und kostengünstiges Verfahren zu etablieren, das es ermöglicht, solche Biocontainer in großen Mengen und mit hoher Reinheit und Homogenität zu produzieren.

Ein modulares System und ein entsprechend standardisiertes Verfahren hat breites Anwendungspotenzial und wird vom Markt nachgefragt. Neben weltweit agierenden Konzernen teilen sich insbesondere KMUs den pharmazeutischen Markt der Wirkstoffverabreichung und Impfstoffentwicklung auf. 

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung der Arbeiten zur Etablierung von Virus-like particles im Rahmen des Programmes Mittelstandsorientierte Eigenforschung (Mef) unter dem Projekttitel »Virus-like Particles – Biocontainer für Wirkstofftransport und Vakzinierung«.