Impfstoffe können die ganze Gesellschaft schützen.

  

publiziert am 11. März 2021

Krankheitserreger wie Viren haben schon immer zusammen mit dem Menschen existiert. Warum ist es möglich, sich und andere durch Impfstoffe zu schützen und worauf basieren die entwickelten Impfstoffe? In diesem Interview erklärt Paul Heuschling, Zellbiologe und Professor am Fachbereich Lebenswissenschaften und Medizin, den Prozess der Entwicklung von Impfstoffen. Er erklärt, wie sie uns durch die Immunisierung schützen können und welche Prinzipien der neuen mRNA-Technologie zugrunde liegen.

 

Mittlerweile sind mehrere COVID-19-Impfstoffe auf dem Markt. Wie können wir sicher sein, dass sie funktionieren?

Die Strategien, mit denen jeder Impfstoff entwickelt wird, haben zum Ziel eine höchstmögliche Immunität zu erreichen. Das bedeutet, dass Wissenschaftler schon in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung die Immunantwort des Körpers prüfen und den Impfstoff verwerfen, wenn diese nicht gut genug ist. Die Tatsache, dass ein Impfstoff zuverlässig eine Immunantwort erzeugt, ist also eine der Grundvoraussetzungen bei der Impfstoffentwicklung. Da hierfür typischerweise virale Proteinstrukturen sowie abgeschwächte oder tote Viruspartikel verwendet werden ist zu erwarten, dass die ausgelöste Immunantwort sehr ähnlich zu jener vom Erreger selbst erzeugten ist.

Quantitativ drückt sich die Funktionalität des Impfstoffs in seiner Wirksamkeit aus, die in klinischen Studien ermittelt wird. Die allgemein berichteten Wirksamkeiten von mehr als 90 % für die meisten COVID-19-Impfstoffe zeigen, dass durch sie tatsächlich eine spezifische Immunantwort gegen SARS-CoV-2 aufgebaut wird.

Wie wird eine solche Immunreaktion im Körper erzeugt?

Wenn sich im Körper eine Immunreaktion ausbildet, wird eine virale Struktur erkannt – in den meisten Fällen handelt es sich dabei um Proteine. Proteine gehören zu den wichtigsten Bausteinen des Lebens und können viele verschiedene Formen und Funktionen annehmen. Letztlich sind auch wir zu einem großen Teil aus verschiedenen Proteinen aufgebaut. Jeder Organismus und auch Viren haben jedoch ein bestimmtes Repertoire an Proteinen mit typischen Mustern und Strukturen, die sie unterscheiden. Aus diesem Grund ist unser Immunsystem in der Lage, eine virale Proteinstruktur, die in diesem Kontext auch Antigen genannt wird, als fremd zu erkennen: Dieses Protein hat keine Form oder Beschaffenheit, die für den eigenen Körper bekannt oder typisch ist.

Wird dieses Prinzip auch bei der Impfstoffentwicklung angewendet?

Im Allgemeinen, ja. Der traditionelle Weg, einen Impfstoff herzustellen besteht darin, das Virus im Labor zu kultivieren, es zu ernten und seine Fähigkeit andere Zellen zu infizieren zu inaktivieren, zum Beispiel durch chemische Behandlung. Übrig bleiben das Viruspartikel inklusive viraler Proteine, die für den Körper nicht mehr schädlich sind, aber dennoch bei Injektion eine Immunreaktion auslösen können. Dies kann das Immunsystem auf den spezifischen Erreger vorbereiten und die Produktion von spezifischen Antikörpern, welche die Antigene neutralisieren, sowie auch andere Immunzellreaktionen auslösen. Wenn es dann in der Zukunft zu einer Infektion mit dem echten Virus kommt, ist das Immunsystem bereits vorbereitet und kann sofort die Produktion der zur Bekämpfung des Virus notwendigen spezifischen Antikörper einleiten.

Ein Nachteil bei diesem Ansatz der Impfstoffentwicklung ist der relativ zeitaufwändige Prozess in der Produktion und der geringe Durchsatz. Die Kultivierung des Virus im Labor ist nicht einfach und es erfordert einige Zeit, um ausreichend Virus zu züchten und um es anschließend zur Inaktivierung zu behandeln. Dies bedeutet, dass die Herstellung großer Mengen an Impfstoff mit dieser Methode eine Herausforderung darstellt und sowohl teuer als auch zeitaufwändig ist.

Welche anderen Ansätze gibt es, um einen Impfstoff zu entwickeln?

Anstatt inaktivierte Viruspartikel zu injizieren ist es auch möglich, Teile eines viralen Proteins direkt in der menschlichen Zelle herzustellen, indem man den Bauplan für das jeweilige Antigen einschleust. Dieser Ansatz wird z. B. bei Impfungen gegen Tuberkulose verwendet. Dabei wird ein Teil der genetischen Information des Erregers in ein Trägervirus, typischerweise ein Adenovirus, eingebracht. Dieses Virus, das normalerweise bei einigen Primaten eine Form von Erkältung verursacht, wird ebenfalls so verändert, dass es keine Krankheit mehr auslösen kann. Dadurch werden nur in einem definierten Bereich Zellen unseres Körpers infiziert: Das Trägervirus liefert dort den genetischen Bauplan zur lokalen Produktion des Antigens, welches eine Immunreaktion auslöst. Der Vorteil ist, dass ein Adenovirus, welches den Bauplan für das Antigen enthält, leicht im Labor hergestellt werden und gleichzeitig keine Infektion auslösen kann. Bei der Entwicklung eines Impfstoffs gegen SARS-CoV-2 nutzt der von AstraZeneca und der russischen Gam-COVID-Vac, auch bekannt als Sputnik V, entwickelte Impfstoff diesen Ansatz.

Seit einigen Jahren wurde zudem eine neue Technologie entwickelt, welche die Verwendung eines Adenovirus als Träger umgeht: Statt den Bauplan in dieses Adenovirus einzubringen, ist er in kleinen Lipidtröpfchen als mRNA enthalten, ein kurzlebiger genetischer Bauplan, der sich chemisch von unserer genomischen DNA unterscheidet. Wie bei den Adenovirus-basierten Impfstoffen kann dieses genetische Material in die Zelle eindringen und als Blaupause für die Produktion des viralen Antigens dienen. Diese neue Technologie wird in den beiden Impfstoffen von Pfizer/BioNTech und Moderna eingesetzt und ermöglicht die Produktion vergleichsweise großer Mengen an Impfstoff. Es sollte betont werden, dass die mRNA-Technologie bereits seit etwa einem Jahrzehnt entwickelt wird und SARS-CoV-2 nur zufällig das Ziel des ersten zugelassenen mRNA-Impfstoffs ist. Es ist sehr wahrscheinlich, dass auch andere mRNA-basierte Medikamente bald verfügbar sein werden und der Medizin große Fortschritte bringen könnten.

Ist es nicht gefährlich, genetisches Material in eine Zelle zu injizieren?

Zunächst einmal sollten wir uns daran erinnern, dass genau das auch bei einer viralen Infektion, einschließlich der Erkältung, passiert: Das Virus schleust sein genetisches Material in unsere Zellen ein und nutzt deren Maschinerie, um vollständige und damit infektiöse Kopien von sich selbst zu erzeugen. Die neue mRNA-Technologie nutzt also ebenso wie die seit langem bekannten Impfstoffe auf Adenovirus-Basis das gleiche Prinzip, verursacht aber nur die Produktion eines nicht infektiösen Antigens in der Zelle. Der wichtigste Unterschied ist, dass nur ein kleines und harmloses Stück des Virus, ein Teil eines bestimmtes Proteins, produziert wird. Daher kann keine Infektion auftreten oder andere Zellen beeinträchtigen.

Zweitens enthält die injizierte mRNA ein genetisches Signal, dass aus ihr ein Protein hergestellt werden soll, was auch durch das "m" (engl. ‚messenger‘ = „Botschafter“) angezeigt wird. Die RNA unterscheidet sich grundlegend von der DNA, die sich im Kern unserer Zellen befindet und somit strikt räumlich getrennt von der mRNA vorliegt. Gleichzeitig stellen auch unsere eigenen Zellen ständig Hunderte von verschiedenen mRNAs her, um jene Proteine zu produzieren, die lebenswichtige Funktionen unserer Zellen gewährleisten. Da also unsere eigenen Zellen ohnehin ständig Proteine aus vielen verschiedenen mRNAs herstellen, gibt es keinen Grund, eine von dieser Technologie ausgehende Gefahr anzunehmen.

Schließlich ist RNA auch generell recht empfindlich. Dies ist unter anderem einer der Gründe, warum einige dieser Impfstoffe bei sehr kalten Temperaturen von bis zu -80°C gelagert werden müssen, um die Wirksamkeit des Impfstoffs zu gewährleisten. Nach der Injektion wird die RNA typischerweise innerhalb von Stunden abgebaut und hat somit keine langfristigen Auswirkungen, während diese Zeit auf der anderen Seite ausreicht, um das Antigen zu produzieren und die Reaktion des Immunsystems auszulösen.

Wie kann es sein, dass ein Impfstoff gegen ein bisher unbekanntes Virus so schnell entwickelt wurde?

Zunächst einmal ist es wichtig zu wissen, dass das SARS-CoV-2 nicht das erste Coronavirus ist, das uns begegnet. Wir haben viel aus dem vorherigen Auftreten des SARS-1 und des MERS-Coronavirus gelernt, nicht zu vergessen die verschiedenen anderen Arten von Coronaviren, die jedes Jahr leichte Infektionen wie zum Beispiel Erkältungen verursachen. Wir kannten also die Grundbausteine dieses Virustyps bereits, ebenso wie die besten Ansatzpunkte für einen Impfstoff. Außerdem haben sich in den vergangenen Jahren mehrere wissenschaftliche Gruppen weltweit auf die Erforschung von Coronaviren konzentriert und ihr Wissen bereitwillig mit anderen geteilt.

Darüber hinaus ist ein limitierender Faktor für die wissenschaftliche Entwicklung oft die Verfügbarkeit von Ressourcen und finanziellen Mitteln. Da Regierungen und Interessensgruppen die von diesem Virus ausgehende Bedrohung schnell erkannten, wurden alle Anstrengungen gebündelt, um die erforderliche finanzielle Unterstützung bereitzustellen. Und da leider viele Menschen schnell mit dem Virus infiziert wurden, konnten im Gegenzug auch leicht Freiwillige für klinische Studien gefunden werden. Gleichzeitig wurden alle Tests und Protokolle zur Bewertung und Bestimmung der Sicherheit des Impfstoffs aufrechterhalten. Ein schneller und effizienter Austausch mit den Gesundheits- und Arzneimittelbehörden half zusätzlich, den Prozess zu beschleunigen. Das bedeutet im Klartext, dass keine Tests übersprungen wurden und man davon ausgehen kann, dass der COVID-19-Impfstoff genauso sicher ist wie jeder andere Impfstoff auf dem Markt.

Was würde passieren, wenn wir keinen Impfstoff zur Verfügung hätten?

Nun, das würde in gewisser Weise den natürlichen Prozess wiederspiegeln: Wenn ein Virus in einer Population frei grassiert, werden einige Individuen nach einer Infektion irgendwann immun, während die Erkrankung für andere schwerer oder sogar tödlich verläuft. Dies würde sich so lange fortsetzen, bis ein bestimmter Prozentsatz der Bevölkerung immun ist, der schätzungsweise bei etwa 70 % liegt. An einem solchen Wendepunkt könnte das Virus statistisch gesehen nicht effizient auf die verbleibenden anfälligen Individuen übertragen werden und die Infektion würde somit abklingen.

Bis wir jedoch ein solches Niveau der Herdenimmunität erreichen, würden wir einen bedeutenden Teil unserer Bevölkerung verlieren, insbesondere in der älteren Generation.

Mit der Verfügbarkeit der Impfung haben wir nun die Chance, die Gesamtimmunität in der Gesellschaft aktiv zu erhöhen, um schneller an diesen Wendepunkt zu gelangen - ohne dass wir uns mit dem echten Virus infizieren müssen. Und quantitativ gesehen steht die absolute Zahl der Komplikationen wie z.B. allergische Reaktionen in absolut keinem Verhältnis zu den Schäden, die das Virus anrichtet. Es ist schwierig, genaue Zahlen zu nennen, aber der Gesamtschaden, den das Virus ohne Impfung anrichtet, ist um mehrere Größenordnungen höher als jeder mögliche Schaden, der durch eine Impfung entstehen könnte.

Ich kann daher nur jeden ermutigen, sich impfen zu lassen und sich an den gesellschaftlichen Bemühungen zu beteiligen, das Virus unter Kontrolle zu bringen.

 

 

Claus Vögele, ordentlicher Professor für Zellbiologie am Fachbereich Lebenswissenschaften und Medizin der Universität Luxemburg, im Spotlight

Paul Heuschling ist ordentlicher Professor für Zellbiologie am Fachbereich Lebenswissenschaften und Medizin der Universität Luxemburg. Seine Forschung konzentriert sich auf Entzündungen des zentralen Nervensystems und auf Gliazellen.

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