Die besonderen Kühlschränke hinter dem COVID

Eine der großen Geschichten letzte Woche war die Bekanntgabe von Ergebnissen klinischer Studien, die darauf hindeuten, dass ein neuer COVID-19-Impfstoff, der durch die gemeinsame Anstrengung der amerikanischen und deutschen Unternehmen Pfizer und BioNTech entwickelt wurde, eine starke Immunität gegen das Virus bietet. Inmitten dessen, was für viele Länder der zweite Höhepunkt der globalen Pandemie ist, wurde diese Nachricht mit Begeisterung aufgenommen und war Gegenstand zahlreicher politischer Manöver.

Während wir derzeit zwei Impfstoffkandidaten mit sehr positiven Testergebnissen haben, ist für uns eines der interessantesten Dinge die Notwendigkeit, die Dosen des Pfizer/BioNTech-Impfstoffs bis zur Verabreichung extrem kalt zu halten. Schauen wir uns die Einzelheiten des vorliegenden Kühlproblems genauer an.

Dieser spezielle Impfstoff muss bis zur Verwendung bei -80 °C gekühlt werden. Dies stellt ein erhebliches Problem für jedes Massenimpfprogramm dar, denn während -80-Grad-Gefriergeräte hinsichtlich der Herstellung eine beschlossene Sache sind, sind sie in der kommunalen Gesundheitsfürsorge nicht üblich. In Laboren und großen Krankenhäusern gibt es sie vielleicht, aber uns wurde gesagt, dass selbst in einem entwickelten Land die Allgemeinmediziner, die mit der Verabreichung des Impfstoffs beauftragt werden, bisher kaum einen Bedarf daran hatten. Wenn dies an einem Ort mit beträchtlichen Ressourcen ein Problem darstellt, wird es in weniger wohlhabenden Regionen der Welt noch deutlich größer, denn um eine globale Pandemie wirksam bekämpfen zu können, ist es zwingend erforderlich, dass der gesamte Planet geimpft wird, um ein verbleibendes Infektionsreservoir zu vermeiden.

Ich bin kein Biologe, aber in jedem Biologieunterricht an der Schule werden die Grundlagen der Impfung für Kinder vermittelt. Im späten 18. Jahrhundert impfte Dr. Edward Jenner erfolgreich einen Jungen mit dem Kuhpockenvirus, um ihm Immunität gegen Pocken zu verleihen, und entwickelte daraus die Wissenschaft der Immunologie. Es ist wahrscheinlich, dass wir alle ähnliche Impfstoffe erhalten haben, die unsere Schulbiologie für uns als geschwächte oder weniger wirksame Verwandte des Ziels vereinfacht, und die Tatsache, dass frühere Mörder jetzt in das Gedächtnis der Menschen verschwinden, ist ein Beweis für ihren Erfolg.

Dies sind die Impfungen, die meine Ärzte und ihr Team in Oxfordshire zu Tausenden verabreichen, und sie können damit Generationen britischer Kinder schützen, indem sie nur einen relativ herkömmlichen Kühlschrank benötigen. Was ist dann das Besondere am Pfizer/BioNTech-Impfstoff? Die Antwort liegt in seiner Wirkungsweise: Statt uns einem Krankheitserreger auszusetzen, handelt es sich um einen sogenannten RNA-Impfstoff. Es enthält ein Fragment des genetischen Materials des Virus, das nach der Verabreichung in unsere Zellen gelangt und deren Immunantwort auf das Coronavirus auslöst. Das Problem liegt, wie uns gesagt wird, in der Zerbrechlichkeit der RNA, und um ihren Abbau zu verhindern, ist ein extra kalter Kühlschrank erforderlich.

Als Ingenieure stellen wir uns natürlich als nächstes die Frage, was einen Wert von -80 ausmacht° C-Gefrierschrank so besonders? Beim Betrieb eines Kühlschranks sind wir auf einem sicheren Stand: Dabei handelt es sich um eine Wärmepumpe mit Heizkörper, Expansionsventil und Kondensator, durch die ein Treibstoff von einem Kompressor gepumpt wird. Das kondensierende Treibmittel sorgt für eine Abkühlung des Innenraums des Kühlschranks und die dabei aufgenommene Energie wird vom Heizkörper als Wärme an den Raum abgestrahlt. Der Temperaturunterschied, der durch eine solche Wärmepumpe erzeugt werden kann, ist begrenzt, daher sind in den -80-Grad-Gefrierschränken zwei davon in Reihe geschaltet. Sie sind weniger effizient und teurer in der Herstellung als Ihr Haushaltskühlschrank, aber ihre Herstellung ist gut etabliert. Uns wird gesagt, dass es einfach nicht genug davon gibt, wo sie gebraucht würden, und deshalb ist es interessant, eine Minute über die Auswirkungen nachzudenken, die das hat.

Man könnte meinen, dass die Ausstattung aller Ärzte mit geeigneten -80-Grad-Gefrierschränken der naheliegende Weg wäre, denn auch wenn diese im heimischen Vergleich nicht billig sind (eine schnelle Google-Suche deutet auf 10.000 US-Dollar und mehr hin), stecken die Regierungen auf ihre Kosten Milliarden in die Pandemie wäre leicht zu bewältigen. Das Problem liegt dort jedoch in der Lieferkette. Der globale Markt für sie reicht in Zeiten ohne Pandemie nicht aus, um über Produktionskapazitäten zu verfügen, um die unerwartet große Nachfrage zu decken. Es ist unwahrscheinlich, dass heimische Kühlschrankfabriken so ausgerüstet werden können, dass sie sie innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens in großen Mengen herstellen können, daher scheint die Aussicht, dass ein brandneuer -80-Grad-Gefrierschrank in der Praxis meines Arztes landet, gering. Man könnte erwarten, dass solche Geräte für den Aufwand von ihren derzeitigen Besitzern, von Universitäten und Forschungslabors, requiriert werden könnten, aber darin liegt ein weiteres Problem. Diese Impfstoffe werden Patienten injiziert und müssen daher unbedingt vor einer Kontamination geschützt werden. Die Idee eines Kühlschranks, der frisch aus einem Chemielabor der Universität stammt, in dem Doktoranden ihn zur Lagerung hochgiftiger metallorganischer Verbindungen verwenden, ist einfach nicht haltbar, wenn ernsthafte Risiken für Patienten vermieden werden sollen.

Eine andere Möglichkeit könnte darin bestehen, auf Kühlung zu verzichten und sich stattdessen für andere Kühlmethoden wie die passive Kühlung mit flüssigem Stickstoff zu entscheiden. Es gibt Produktionskapazitäten, um diesen Stoff in industriellen Mengen herzustellen, und er wird bereits in großem Umfang in medizinischen Umgebungen eingesetzt. Der Haken daran ist, dass es auf der Verbraucherseite der Medizin für kryogene Behandlungen wie die Entfernung von Warzen und nicht für den kryogen gekühlten Transport oder die kryogenisch gekühlte Lagerung verwendet wird. Daher wäre die Einrichtung einer völlig neuen Infrastruktur erforderlich. Kryo-Probentransportboxen sind eine beschlossene Sache, aber abgesehen von etwaigen Versorgungsproblemen mit einer plötzlichen Nachfrage nach Zehntausenden davon können sie nur die niedrige Temperatur garantieren, solange ihre Ladung an flüssigem Stickstoff noch nicht verdampft ist. Sie allein sind kein Ersatz für eine Infrastruktur aus -80-Grad-Gefrierschränken, könnten aber durch die Verlängerung der letzten Lieferphase einen Ersatz für die aktive Kühlung darstellen.

Ein Lichtblick in dieser Geschichte ist, dass ein zweiter von Moderna entwickelter Impfstoff keine extreme Kühlung erfordert und bei 2–8 °C gelagert werden kann° C (35-46 °F) bis zu einem Monat lang. Dies würde es ermöglichen, Teile der Welt zu erreichen, die über keine Infrastruktur für extreme Kühlung verfügen. Aber kurzfristig werden wir sicherlich beide Impfstoffe und so viele Dosen wie möglich benötigen, die hergestellt und verabreicht werden können, da für jeden Menschen der fast 8 Milliarden Menschen umfassenden Weltbevölkerung zwei Dosen benötigt werden.

Wie wir zweifellos an den verschiedenen Lösungen sehen werden, die unsere Regierungen in den kommenden Monaten verfolgen werden, gibt es kein Allheilmittel für den unerwarteten Masseneinsatz eines kryogenen Impfstoffs. Für Großbritannien erwarte ich, dass es in großen Krankenhäusern Vertriebszentren gibt, die über die erforderlichen Gefrierschränke verfügen und jeden Morgen die Tagesdosen an die Impfstellen liefern. Wir sind jedoch ein relativ kleines und dicht besiedeltes Land, für das die Herausforderungen anders sind als für ein Land, das über ein riesiges Gebiet verteilt ist, und das um Welten von denen einiger Entwicklungsländer entfernt ist. Angesichts der Tatsache, dass diese Operation eine globale Bedeutung erlangt, ist es überraschend, dass der Schlüssel zum Ende der Pandemie nicht nur in den Händen der Wissenschaftler liegt, die die Impfstoffe entwickeln, sondern auch in den Händen der Kühltechniker, die für deren sichere Ankunft am Einsatzort verantwortlich sind .

Korrektur des Herausgebers: In dem Artikel wurde ursprünglich darauf hingewiesen, dass Pfizer und BioNTech beide deutsche Unternehmen seien. Pfizer ist ein amerikanisches Unternehmen und GioNTech ist ein deutsches Unternehmen.