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Entwicklung einer spektroskopischen Methode zur Impfstoffqualitätskontrolle als Alternative zum Tierversuch in der Chargenprüfung

Impfstoffe gegen Diphtherie, Tetanus und Pertussis (DTaP-Impfstoffe) gehören bei Kindern und Erwachsenen zum Standardimpfschema . Auch im Veterinärbereich spielt die Tetanusimpfung eine wichtige Rolle. Im Rahmen der staatlichen Chargenprüfung werden diese Impfstoffe am Paul-Ehrlich-Institut (PEI) entsprechend den durch das Europäische Arzneibuch gesetzten Vorschriften mittels Tierversuchen überwacht. Mit serologischen Tests wird hierbei die notwendige Immunantwort in Meerschweinchen gemessen. Die Entwicklung alternativer Methoden der Wirkstoffüberprüfung und Qualitätskontrolle ist daher die Voraussetzung für eine Reduzierung und schließlich den Ersatz dieser Tierversuche.

Die bisherige Forschung am PEI konnte das Potential der Raman-Spektroskopie zur Untersuchung von Impfstoffen zeigen (Silge et al. 2018; Kamp et al. 2021) und stellt die Basis für dieses Projekt dar: Impfstoffe können mit Hilfe spektroskopischer Methoden und maschinellem Lernens sicher unterschieden werden. Ebenso können darin enthaltene Komponenten prinzipiell identifiziert werden. Jedoch bestehen gerade bei der Identifizierung der Komponenten, die für die Immunantwort verantwortlich sind, noch Herausforderungen in der experimentellen Ausführung der Messung und der statistischen Analyse. DTaP-Impfstoffe sind komplexe Medizinprodukte in einer heterogenen Mischung aus Wirkstoffen (Proteinen), Wirkverstärkern (anorganische Gele mit kristallinen und ggf. amorphen Anteilen), Füllstoffen (Wasser) sowie Stabilisatoren. Mehr noch als bei homogenen chemisch-pharmazeutischen Substanzen bedarf es hier genau definierter und kontrollierter Protokolle, um reproduzierbare und interpretierbare Spektren messen zu können.

In diesem Projekt sollen diese Protokolle unter besonderer Betrachtung der Wirkstoffkomponenten der Impfstoffe weiterentwickelt werden. Methoden des maschinellen Lernens erlauben bereits, Impfstoffspektren zuverlässig zu unterscheiden. Nun sollen diese Methoden weiter angepasst werden, um auch Wirkstoffkomponenten zuverlässig identifizieren und quantifizieren zu können. Bei den DTaP-Impfstoffen soll zunächst eine Fokussierung auf die Entwicklung einer spektroskopische Methode für die Qualitätskontrolle der Tetanus-Wirkstoffkomponente erfolgen.

Abb. 1: Experimenteller Aufbau und charakteristische Spektren von Impfstoffen mit verschiedenen aktiven Komponenten sowie deren Unterscheidung durch Methoden des maschinellen Lernens (Kamp et al. 2021).

 

Dieses Projekt soll die Perspektive eröffnen, dass die neu entwickelte spektroskopische Methode als Alternativmethode für die aktuell vorgesehenen Tierversuche ins Europäischen Arzneibuch aufgenommen wird. Durch die aktive Mitarbeit des PEI in den Gremien der Arzneibuchkommission könnte nach einer erfolgreichen Etablierung der Methode auch ein breiter Einsatz in der Praxis Realität werden.

Publikationen:

Silge, A., Bocklitz, T., Becker, B., Matheis, W., Popp, J., Bekeredjian-Ding, I. “Raman spectroscopy-based identification of toxoid vaccine product” npj Vaccines 3, 50 (2018). doi.org/10.1038/s41541-018-0088-y.

Kamp, C., Becker, B., Matheis, W., Öppling, V., Bekeredjian-Ding, I. "How to draw the line – Raman spectroscopy as a tool for the assessment of biomedicines" Biological Chemistry, vol. 402, no. 8, pp. 1001-1006 (2021). doi.org/10.1515/hsz-2020-0388.