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.