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COVID-19 Impfstoffe: Der Aufstieg der Ultra-Niedrigtemperatur-Tiefkühltruhe

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Vor Ende 2020 hatten nur wenige Menschen außerhalb medizinischer, industrieller und akademischer Kreise von den Ultratiefkühlschränken (ULT) gehört. Doch als Pfizer ankündigte, dass sein Impfstoff bei -70° C gelagert werden muss, entwickelte eine Welt, die lautstark nach einem Ausweg aus der Pandemie suchte, ein neu entdecktes Interesse an ultrakalter Lagerung. Aber wie funktionieren diese Super-Gefrierschränke? Was sind die Herausforderungen bei ihrer Herstellung? Was sind neben der Konservierung von Impfstoffen ihre weiteren Anwendungen?

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Dusty Tenney, CEO der US-amerikanischen Firma Stirling Ultracold, die drei Größen von ULT-Gefriergeräten mit einem Temperaturbereich von -20°C bis -86°C für die Life-Science- und Biopharma-Forschung herstellt, sagt:

"Wie kürzlich in Forbes zu lesen war, wird die COVID-19-Pandemie als 'großer Beschleuniger' technologischer Trends in Erinnerung bleiben, trotz ihrer überwältigend tragischen Auswirkungen auf die globale Gesundheit und Wirtschaft. Stirlingmotor-betriebene ULT-Gefriergeräte hatten schon immer ihren Platz in den Biowissenschaften, aber die Medizin schreitet schneller voran als je zuvor, und für die Kommerzialisierung dieser Behandlungen ist eine ultrakalte Lagerung erforderlich. Wir sind zutiefst beeindruckt von der Schwere dieser Pandemie und haben unsere Produktionskapazitäten skaliert, um diese beispiellose Nachfrage zu unterstützen."

Temperatur kritisch

Die COVID-19-Impfstoffe, die eine ultrakalte Lagerung benötigen, um einen Abbau zu verhindern, basieren auf Boten-RNA (mRNA), wie die von Pfizer-BioNTech und Moderna entwickelten. Bei den mRNA-Impfstoffen handelt es sich um eine neue Art der Therapie zum Schutz vor Infektionskrankheiten. Diese Impfstoffe bringen den Zellen der Patienten bei, ein Protein herzustellen, das eine Immunantwort im Körper auslöst und Antikörper gegen das Virus produziert, um sich vor einer zukünftigen Exposition zu schützen. Sie verwenden ein kurzes Stück mRNA mit dem gleichen Code wie die RNA von SARS-CoV-2, dem Coronavirus, das COVID-19 verursacht.

Für Mr. Tenney,

"Große Fortschritte in der Wissenschaft brauchen Zeit, und mRNA-Impfstoffe haben sich, wie viele andere neuartige Therapien, als sehr fragil und instabil bei Kühl- oder Raumtemperaturen erwiesen. Die Geschwindigkeit, mit der diese Impfstoffe auf den Markt gebracht wurden, bedeutet, dass bei der Verabreichung vor Ort tiefgekühlte Lagertemperaturen erforderlich sind, um die Wirksamkeit des Medikaments zu maximieren. Weitere Stabilitätstests werden erforderlich sein, um die Anforderungen an die Tiefkühllagerung des Impfstoffs zu reduzieren, falls dies möglich ist. Wenn die Stabilitätsanforderungen gesenkt werden, wie es kürzlich bei Pfizer der Fall war [auf -25° C bis -15 °C für zwei Wochen], wird dies höchstwahrscheinlich für eine kurze Lagerdauer sein. Alles, was längerfristig gelagert werden muss, wird weiterhin auf ultrakalte Temperaturen zur Konservierung angewiesen sein."

Er fügt hinzu, dass ein weiteres Beispiel für einen Impfstoff, der ultrakalt gelagert werden muss, der Ebola-Impfstoff von Merck, Sharp & Dohme, Ervebo, ist. Darüber hinaus verlängern ULT-Froster die Haltbarkeit von Impfstoffen, was für den weltweiten Einsatz entscheidend ist.

Thermostabilitätsstudien

Ultra-Tiefsttemperaturen werden oft in den ersten Phasen der Impfstoffentwicklung benötigt, sagt Dan Hensler, Vice President Sales and Marketing, bei So-Low Environmental Equipment in den USA. So-Low stellt seit 1959 ULT-Gefriergeräte für die akademische Forschung, die Ultrakühllagerung und industrielle Anwendungsfälle her und produziert derzeit Stand- und Truhenmodelle.

"Um die Temperaturanforderungen eines Impfstoffs herauszufinden, führt ein Arzneimittelhersteller zeitaufwändige Thermostabilitätsstudien durch, bei denen er den Impfstoff im Wesentlichen bei einer bestimmten Temperatur belässt und die Ergebnisse eines Tests auf seine Stabilität untersucht. Das fängt bei ultrakalten Temperaturen an und geht dann zu normalen Gefrierschrank-Temperaturen und schließlich in den Kühlschrankbereich über. Der Impfstoff von Johnson & Johnson kann zum Beispiel bei 2°C bis 8°C gelagert werden, allerdings wird er vom Hersteller vor dem Versand zunächst gefroren gelagert und dann aufgetaut."

Kühl bleiben

Die Binder GmbH fertigt an ihrem Standort in Deutschland zwei Größen (550L und 700L) von ULT-Tiefkühlschränken. Dr. Jens Thielmann, Produktmanager, sagt, dass seine Modelle, wie viele andere ULT-Tiefkühlgeräte auf dem Markt, ein zweistufiges Dampfkompressions-Kältesystem verwenden.

"Heutzutage werden natürliche Kältemittelgase verwendet, die nicht wesentlich zur globalen Erwärmung beitragen. Und um den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, sind rundherum hochwirksame Vakuumisolationspaneele in PUR-Schaumwände eingebettet."

Binder hingegen setzt auf eine Konstruktion mit Hubkolben und Verdränger sowie einem kontinuierlichen, schwerkraftgetriebenen Thermosiphon zur Kühlung des Schrankinneren.

"Die beiden beweglichen Teile verschleißen nie, weil Gaslager jeden physischen Kontakt während der Bewegung eliminieren, wie ein Puck auf einem Air-Hockey-Tisch. Der Kolben und der Verdränger dehnen und komprimieren das Helium im Motor und nehmen dabei die Wärme aus dem Thermosiphon auf, wodurch der Schrank kalt bleibt. Das Kältemittel wird in der Nähe der Expansionszone des Stirlingmotors zu Flüssigkeit kondensiert und fließt dann durch den geschlossenen Thermosiphonkreislauf. Während die Wärme aus dem Innenraum des Gefrierschranks absorbiert wird, verwandelt es sich in Gas und steigt zurück in den Thermosiphon, wo es wieder zu einer Flüssigkeit abgekühlt wird und der Prozess sich wiederholt."

Zuverlässiger Betrieb

Vertriebsleiter Roberto Buzzi von der spanischen Firma Telstar, die ebenfalls ein umfassendes Sortiment an ULT-Tiefkühlschränken herstellt, beschreibt die Herausforderungen, denen sich die Hersteller stellen müssen.

"Die erste besteht darin, ein zuverlässiges und robustes Kühlsystem zu entwickeln. Der Wert des Inhalts eines ULTs in einer Forschungseinrichtung übersteigt die Kosten eines Tiefkühlgeräts bei weitem, und die Kunden müssen sicher sein, dass sie sich auf die Geräte verlassen können. Der Stromverbrauch ist derzeit ein Aspekt, den die Hersteller berücksichtigen und an dessen Verbesserung sie arbeiten müssen. Ein weiterer wichtiger Aspekt sind Geräte, die so kompakt wie möglich sind und sich vor Ort leicht positionieren lassen. ULT-Tiefkühlschränke benötigen stabile Rollen und müssen manchmal durch Standardtüren passen, daher sind sowohl Höhe als auch Breite oder Tiefe entscheidend."

Die Geräte verfügen über ein Mikroprozessor-Steuerungssystem, das alle Parameter überwacht, während optische und akustische Alarmsysteme die Benutzer vor Anomalien warnen.

"Oft genug sind die Geräte über einen unabhängigen Temperaturfühler an ein digitales Labormanagementsystem angeschlossen, um Anomalien aus der Ferne zu melden, so dass ein Serviceeinsatz vor Ort in kürzester Zeit eingeleitet werden kann. ULTs können auch mit Sicherheits-Backup-Systemen ausgestattet werden, die auf eine unabhängige Zufuhr von CO2 oder flüssigem Stickstoff setzen, um einzugreifen, wenn die Innentemperatur unter einen bestimmten Sollwert fällt."

Verschiedene Anwendungen

ULT-Gefriergeräte haben viele weitere Einsatzmöglichkeiten: Dazu gehört die Lagerung von Gewebeproben, Enzymen und anderen biologischen Materialien in Laboren. Sie werden auch für die Lagerung in der Lebensmittelindustrie verwendet, insbesondere für Fisch, sowie für die Lagerung und Extraktion von Chemikalien für industrielle Anwendungen. Herr Hensler bemerkt dazu,

"Im medizinischen Cannabis-Sektor werden ULT-Gefriergeräte im Cannabis-Extraktionsprozess eingesetzt."

Während Stirling Ultracold-Gefriergeräte in erster Linie für biologische Anwendungen eingesetzt werden, so Herr Tenney, spielen sie auch eine Rolle in der Veterinärmedizin sowie in der Geologie und Ozeanographie. Aber, betont er:

"Ich weiß, dass die Nachfrage in der Mikrochip-Verarbeitung, in der Petrochemie und bei Kaltmetallschweißanwendungen steigt, aber wir stehen in diesen jeweiligen Märkten erst am Anfang. Wir glauben auch, dass die Welt der CAR-T [chimäre Antigenrezeptor-T-Zellen] und der Zell- und Gentherapien weiterhin noch kältere Anwendungen verlangen wird, und wir wollen dorthin kommen."