Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben einen tablettenbasierten Impfstoff gegen Harnwegsinfektionen (HWI) entwickelt, der sich schnell auflöst, wenn er unter die Zunge gelegt wird. Die neue Behandlung könnte eine einfache und praktische Alternative zu hochdosierten oralen Antibiotika bieten, die derzeit der Standard für HWI-Behandlungen sind.
Die Ergebnisse erschienen online am 23. November im Journal Wissenschaftliche Fortschritte.
Harnwegsinfektionen treten auf, wenn Bakterien die Harnröhre, Blase, Harnleiter oder Nieren infizieren. Mehr als die Hälfte aller Frauen erleidet einen Harnwegsinfekt und stellt ein erhebliches Risiko für Patienten dar, die einen Katheter benötigen. Während Harnwegsinfektionen oft Schmerzen und Beschwerden verursachen, können auch Organschäden und sogar Sepsis auftreten, wenn die Infektion die Nieren erreicht.
Diese Infektionen können mit oralen Antibiotika behoben werden, aber einige Patienten sehen sich wiederkehrenden Harnwegsinfektionen gegenüber, die einen längeren, wiederholten und manchmal teuren Einsatz von Antibiotika erfordern. Dieser ausgedehnte Einsatz von Antibiotika wirkt sich negativ auf das Mikrobiom des Patienten aus, da die Antibiotika auch hilfreiche Bakterien abtöten und eine Umgebung schaffen, in der antibiotikaresistente Bakterien gedeihen können. Heutzutage sind viele Bakterienstämme, die Harnwegsinfektionen verursachen, zunehmend resistent gegen mehrere der Antibiotika, die üblicherweise zur Behandlung dieser Infektionen eingesetzt werden.
Die kleine Tablette mit einem schützenden Impfstoff gegen HWI löst sich sofort auf, wenn sie in eine Flüssigkeit gegeben wird. Bildnachweis: Duke University
Um dieses Problem anzugehen, hat ein Team von Mitarbeitern, darunter Joel Collier, der Theodore Kenney-Professor für Biomedizinische Technik an der Duke University, und Sean Kelly, der diese Arbeit als Ph.D. Student im Collier-Labor, entwickelte einen Impfstoff, der unter der Zunge absorbiert werden kann und wichtige Immunzellen aktiviert, um HWI-verursachende Bakterien präzise anzugreifen.
„Es gab frühere Literatur, die zeigte, dass Medikamente, die durch die Schleimhaut unter der Zunge aufgenommen wurden, eine Immunantwort auslösen konnten, insbesondere in ähnlichen Schleimhäuten im ganzen Körper“, sagte Kelly, jetzt Postdoktorandin an der Johns Hopkins University. „Das war wichtig, denn eine der Herausforderungen bei der Entwicklung eines Impfstoffs gegen Harnwegsinfektionen besteht darin, dass man eine Immunantwort sowohl im Blut als auch im Urogenitaltrakt auslösen muss und die intramuskulären Injektionen im Allgemeinen keine starken Reaktionen in diesen Schleimhautbereichen auslösen. „
„Darüber hinaus gibt es viele Hindernisse für eine einfache Impfstoffabgabe. Sie benötigen häufig eine Kühlung, Sie benötigen geschultes Personal, um die Injektion zu verabreichen, und Sie benötigen Materialien wie Nadeln“, sagte Kelly. „Aber die Tablettenverabreichungsmethode bietet eine Lösung für viele dieser Probleme. Sie kann problemlos bei Raumtemperatur gelagert werden. Die Hoffnung ist, dass ein Patient sie aus einer Packung herausnehmen, unter die Zunge legen und in ein paar legen könnte Sekunden ist es weg und der Patient kann seinen Tag fortsetzen.“
Es ist schwierig, die Membranschicht unter der Zunge zu überwinden, da Schleim hergestellt wurde, um zu verhindern, dass große Moleküle, Viren und andere Materialien in den Körper gelangen. Das Collier-Labor ist jedoch auf die Entwicklung von Biomaterialien spezialisiert, die sich selbst zu nützlichen Strukturen wie Nanopartikeln, Nanofasern und Gelen organisieren, die angepasst werden können, um Schlüsselzellen im Immunsystem zu aktivieren. Das Team fand heraus, dass sie diesen Strukturen schleimresistente Modifikationen hinzufügen konnten, die es ihnen ermöglichen, leicht durch die Schleimhautschicht zu gleiten.
Nach der Fertigstellung der Zucker und anderer struktureller Komponenten, die für eine sich schnell auflösende, impfstoffabgebende Tablette benötigt wurden, begann das Team mit der Erforschung, wie HWI-verursachende Bakterien gezielt bekämpft werden können.
„Sean identifizierte bestimmte Proteine, die häufig in einer Bakterienart namens uropathogene E. coli vorkamen, die die meisten Harnwegsinfektionen verursacht“, sagte Collier. „Das gab uns ein klares Angriffsziel für die Immunzellen.“
Das Team webte die E. coli-Proteine in ihre schleimdurchdringenden Nanofasern. Sobald diese Struktur absorbiert ist, aktivieren die eingebauten Bakterienproteine Immunzellen und geben ihnen spezifische Anweisungen, um die Bakterien sowohl im Blut als auch im Urogenitaltrakt abzutöten.
„Die Wirksamkeit des in Tablettenform verabreichten Impfstoffs war mit der von Antibiotika vergleichbar, und wir haben festgestellt, dass die durch die Nanofasermaterialien ausgelösten Antikörperreaktionen sehr dauerhaft sein können und ein Leben lang eine Maus andauern können. Daher hoffen wir, dass der Schutz vor HWI gleichermaßen gegeben sein wird langlebig“, sagte Collier. „Sean und das Team führten auch Mikrobiomanalysen durch und stellten fest, dass das Darmmikrobiom der Mausmodelle deutlich weniger gestört wurde als bei Antibiotika.“
Das Team wird sein Modell weiter verfeinern, da Collier und seine Mitarbeiter neugierig sind, ob der Impfstoff verwendet werden kann, um das Wiederauftreten von HWI zu minimieren oder sogar zu verhindern. Sie planen auch, weitere Krankheitsmodelle zu untersuchen, bei denen der sublinguale Impfstoffabgabemechanismus besonders nützlich sein könnte. Viele dieser Krankheiten, einschließlich Gonorrhoe und Chlamydien, betreffen auch den Urogenitaltrakt und haben Probleme mit Antibiotikaresistenzen.
Obwohl das Team von den Ergebnissen für den langfristigen UTI-Schutz begeistert war, ist es auch optimistisch in Bezug auf die neuen Möglichkeiten, die mit der sublingualen Impftablette verfügbar sind.
„Gerade nach COVID wird deutlich, dass Impfstoffe zunehmend Teil unseres Lebens sein werden, daher brauchen wir leichter zugängliche Impfungen, die sich leicht wiederholen lassen“, sagte Collier.
„Gegenwärtige Impfstoffe mit ihrer Abhängigkeit von kontinuierlicher Kühlung erfordern eine beträchtliche Infrastruktur, die in weiten Teilen der Welt nicht verfügbar ist. Die Tablettentechnologie kann viel gerechter bereitgestellt werden, da sie diese Abhängigkeit von Kühlung vermeidet“, sagte Collier. „Wenn wir erfolgreich sind, könnte jeder den Impfstoff erhalten, unabhängig davon, ob er sich in der Nähe eines großen Krankenhaussystems befindet oder nicht. Von dieser Realität sind wir noch weit entfernt, aber wir arbeiten weiter in diese Richtung.“
Mehr Informationen:
Sean H. Kelly et al, Ein sublingualer Nanofaser-Impfstoff zur Vorbeugung von Harnwegsinfektionen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq4120