Présentation du Dr. Gérard Schockmel (en anglais)
Alle Impfstoffe der ersten Generation lehren das Immunsystem, Antikörper gegen das Spike-Protein des Coronavirus SARS-CoV-2 herzustellen. Das Virus benutzt die Spike-Proteine auf seiner Oberfläche, um an den ACE-2-Rezeptor auf Wirtszellen anzudocken. Neutralisierende Antikörper gegen das Spike-Protein blockieren dessen Bindung an den ACE-2-Rezeptor und verhindern damit, dass das Virus in die Wirtszelle eindringen kann. Seit SARS-CoV-2 und einem Jahrzehnt später MERS-CoV wissen Wissenschaftler, dass neutralisierende Antikörper gegen das Coronavirus Spike-Protein eine schützende Wirkung haben.
Genbasierte Impfstoffe
Dazu gehören mRNA, DNA und Vektorimpfstoffe. Diese Impfstoffe enthalten die genetischen Anweisungen für die Wirtszellen zur Bildung von Antigen, was eine natürliche Infektion nachahmt. Der Ansatz ist nicht völlig unvertraut. In abgeschwächten Lebendimpfstoffen, wie denen gegen Masern, Mumps und Röteln, bringen abgeschwächte Impfstoff-Viren ihre genetischen Anweisungen in Wirtszellen ein. Dies veranlasst den Körper dazu neue Viruspartikel zu bilden gegen die eine Immunantwort durch Antikörper und T-Zellen erfolgt.
Nicht-replizierende mRNA-Impfstoffe
Diese enthalten eine vermehrungsunfähige (replikationsinkompetente) mRNA. Die beiden derzeit zugelassenen mRNA-Impfstoffe von Pfizer/BioNTech und Moderna bestehen aus einer Einzelstrang-RNA, welche die kodierende Sequenz für das Coronavirus Spike-Protein in voller Länge enthält und an beiden Enden von regulatorischen Regionen flankiert wird. Die Einzelstrang-RNA wird in einem zellfreien „Übersetzungsprozess“ – einer sogenannten In-vitro-Transkription – aus der entsprechenden DNA-Matrize hergestellt.
Wie werden die mRNA-Impfstoffe hergestellt?
Modifiziertes Nukleosid
Bei den beiden Impfstoffen enthält die mRNA einen veränderten Baustein (Uridintriphosphat), um die mRNA für die Zelle weniger entzündlich zu machen. In der Tat aktiviert eine körperfremde Nukleinsäure (RNA oder DNA) das angeborene Immunsystem der Zelle. Bei wiederholter Dosierung kann das dazu führen, dass weniger Protein hergestellt wird. Allerdings könnte bei RNA-Impfstoffen die Aktivierung des angeborenen Immunsystems sogar von Nutzen sein, indem sie die Immunantworte auf den Impfstoff verstärkt. Nichtsdestoweniger enthalten sowohl der BioNTech/Pfizer- als auch der Moderna-Impfstoff eine mRNA mit modifizierten Nukleosiden.
Modifiziertes Spike-Protein
Beide mRNA-Impfstoffe enthalten den Bauplan für ein verändertes Coronavirus Spike-Protein mit zwei Prolin-Substitutionen, um das Spike-Protein in seiner Präfusions-Konformation zu stabilisieren (Form, die das Protein hat bevor es mit der Zellmembran oder dem Endosom fusioniert). Dies verleiht dem Protein eine bessere Antigenität, was für eine sichere und robuste Immunantwort wichtig ist.
Verkapselung
Die mRNA wird in ein Trägerlipid-Nanopartikel (carrier lipid nanoparticle, LNP) eingekapselt. So wird die mRNA lange genug geschützt, um das gewünschte Gewebe zu erreichen, ohne dass sie zu schnell im Körper abgebaut wird. Die LNPs können sogar eine immunverstärkende Wirkung haben, ähnlich einem Adjuvans. Außerdem helfen die LNPs dabei, dass die mRNA die Zellmembran durchwandern kann und im Innern der Zelle in Endosomen (Vesikel) aufgenommen wird. Die mRNA wird anschließend im Zytoplasma freigesetzt, wo sie zur Herstellung des Spike-Proteins dient. Das Spike-Protein wandert dann zur Zelloberfläche.
Immunologische Eigenschaften
Das Spike-Protein, das sich auf der Zellmembran der Wirtszelle befindet, wird vom Immunsystem als fremdes Antigen erkannt. Dies löst die Produktion von Antikörpern aus und aktiviert CD4+ Helfer-T-Zellen. Zusätzlich werden CD8+ zytotoxische T-Zellen (Killer-Zellen) über den MHC-Klasse-I Weg rekrutiert. MHC-Klasse-I-Moleküle binden antigene Peptide und präsentieren diese den T-Zellen. Der MHC/Peptid-Komplex wird vom T-Zell-Rezeptor und seinem CD8 Korezeptor auf zytotoxischen T-Zellen erkannt. Dadurch werden die zytotoxischen T-Zellen aktiviert. Wichtig zu wissen ist, dass nur Virusproteine, die von den Wirtszellen selbst produziert werden über den MHC-Klasse-I-Weg exprimiert werden. Genbasierte Impfstoffe, d.h. RNA-, DNA-, und Vektorimpfstoffe, besitzen daher den einzigartigen Vorzug, dass sie CD8+ zytotoxische T-Zellen aktivieren können. Dies trägt zu der hohen Wirksamkeit dieser Impfstoffe bei.
Pharmakologische Eigenschaften
Nach Injektion in den Muskel nehmen Zellen an der Einstichstelle und in den ihm nächstgelegenen Lymphknoten die LNPs mit der mRNA auf. So gelangt die mRNA in die Zellen und veranlasst die Synthese des Virusproteins. Die fremde mRNA gelangt nicht in den Zellkern und interagiert nicht mit dem Genom der Wirtszelle. Sie wird vorübergehend exprimiert, hauptsächlich von dendritischen Zellen und Makrophagen im Sinussystem des Lymphknotens. Nach wenigen Tagen wird die Impfstoff-mRNA abgebaut.
Wirksamkeit
Das 2-Dosen-Impfschema bei beiden mRNA-Impfstoffen verursacht eine starke Immunreaktion und die Produktion von Gedächtniszellen. Die Ergebnisse der klinischen Phase-III-Studien beider Impfstoffe, die jeweils im New England Journal of Medicine veröffentlicht wurden, zeigen eine klinische Wirksamkeit von ca. 95 % gegen die zirkulierenden Virusstämme.
Sicherheit
Bei der Impfstoffentwicklung gilt es auf gewisse Warnzeichen zu achten, etwa eine übermäßige oder fehlgeleitete Immunreaktion auf die Impfung oder ein verstärkter Krankheitsverlauf nach Virusexposition.
In punkto Verträglichkeit verursachen beide Impfstoffe lokale und systemische Nebenwirkungen. Zu den lokalen Nebenwirkungen gehören Schmerzen an der Injektionsstelle, Schwellung und Rötung. Zu den systemischen Nebenwirkungen gehören Müdigkeit, Kopfschmerzen, Übelkeit, Gelenk- und Muskelschmerzen, sowie eine erhöhte Körpertemperatur. Eine Anaphylaxie (schwere allergischer Reaktion) ist ein seltenes Ereignis aber scheint bei RNA-Impfstoffen etwas häufiger aufzutreten als beim Grippeimpfstoff. Für die anaphylaktischen Reaktionen ist möglicherweise eine im LNP enthaltene Fettkomponente verantwortlich, das Polyethylenglykol (PEG). PEG ist ein Molekül, das in Kosmetikprodukten und Abführmitteln Verwendung findet.
Selbstreplizierende (amplifizierende) mRNA-Impfstoffe
Diese enthalten mRNA, die sich selbst vermehren kann. Selbstreplizierende mRNA-Impfstoffe werden derzeit von BioNTech, dem Imperial College London und anderen Impfstoffentwicklern erforscht. Bei herkömmlichen mRNA-Impfstoffen bedeutet eine niedrigere Dosis eine niedrigere Potenz. Selbstreplizierende Impfstoffkandidaten enthalten jedoch Anweisungen für die Selbstvermehrung der RNA: Sie enthalten ein Gen für das Replikase-Enzym (RDRP, RNA-dependent RNA polymerase). Die selbstreplizierenden mRNA-Impfstoffe sollten es ermöglichen, die Impfdosis zu verringern. Außerdem ahmen diese Impfstoffe eine natürliche Infektion besser nach und lösen eine stärkere, breitere Immunantwort aus. Dies wiederum könnte ein Einzeldosis-Impfschema ermöglichen.
DNA-Impfstoffe
Aufgrund der Doppelhelix ist DNA ein sehr stabiles Molekül und diese Stabilität bringt wichtige Vorteile für die Lagerung und den Transport von Impfstoffen. DNA-Impfstoffe müssen in den Zellkern der Wirtszelle gelangen. Von dort aus wird mRNA hergestellt, die dann aus dem Zellkern hinaus ins Zytoplasma wandert, wo sie die Synthese des entsprechenden Proteins veranlasst. Die DNA-Impfstofftechnologie hat zwei wichtige Herausforderungen zu meistern: (1) Der Impfstoff muss die Zellmembran durchqueren und (2) die DNA muss in den Zellkern gelangen.
Das Einbringen der Impfstoff-DNA in die Zelle gelingt mit Hilfe eines Elektroporators - eines Gerätes das elektrische Impulse erzeugt und damit die Zellmembran durchlässiger macht. Um den Eintritt in den Zellkern zu ermöglichen, kann die Impfstoff-DNA die genetische Information für Proteine enthalten, die den Eintritt in den Zellkern erleichtern. Ansonsten riskiert der Prozess ineffizient zu sein. Ein potenzielles Risiko von DNA-Impfstoffen ist, dass die Impfstoff-DNA in das Genom der Wirtszelle integriert werden könnte.
Nicht-replizierende Vektorimpfstoffe
Diese enthalten sogenannte Vektorviren, die keine neuen Viruspartikel erzeugen können. Es gibt den AstraZeneca-Impfstoff (2-Dosen-Regime), den Johnson & Johnson-Impfstoff (Einzeldosis-Regime, wobei ein 2-Dosen-Regime in Studien untersucht wird) und den russischen Sputnik V Impfstoff.
Die aktuellen Vektorimpfstoffe verwenden alle ein Erkältungsvirus aus der Familie der Adenoviren, um die genetischen Anweisungen zur Synthese des Coronavirus-Spike-Proteins in Wirtszellen zu transportieren. Adenoviren sind Viren ohne Hülle, die ein Genom in Form von doppelsträngiger DNA besitzen.
Die Adenovirus-DNA des Impfstoffs wurde so modifiziert, dass das Adenovirus sich nicht mehr vermehren kann. Zudem enthält die Adenovirus-DNA die genetischen Anweisungen für die Synthese des Coronavirus-Spike-Proteins in Gesamtlänge. Diese genetischen Anweisungen wurden in Form von doppelsträngiger DNA eingefügt. Das für das Spike-Protein kodierende doppelsträngige DNA-Fragment wird im Zellkern der Wirtszelle in mRNA überschrieben. Die mRNA wird im Zytoplasma freigesetzt, wo sie zur Herstellung des Spike-Proteins dient. Das Spike-Protein wandert dann an die Zelloberfläche, wo es vom Immunsystem als fremdes Antigen erkannt wird. Dies löst die Produktion von Antikörpern und die Aktivierung von CD4+ Helfer-T-Zellen und CD8+ zytotoxischen T-Zellen (Killerzellen) aus.
Ein möglicher Nachteil von Adenovirus-Impfstoffen ist das Risiko einer vorbestehenden Immunität gegen Adenoviren, z.B. in Form von neutralisierenden Antikörpern, was die Wirksamkeit des Impfstoffs einschränken kann. Wird der Adenovirus-Vektor durch das Immunsystem eliminiert bevor er in die Zellen gelangen kann, ist dies ein großes Problem. Eine vorbestehende Immunität gegen den viralen Vektor kann in einigen geografischen Gebieten häufiger auftreten als in anderen, wodurch ein vektorbasierter Impfstoff je nach Region mehr oder weniger wirksam sein kann. Um das Risiko einer vorbestehenden Immunität zu vermeiden, verwendet der AstraZeneca-Impfstoff ein Adenovirus (ChadOx1), das in der Regel Schimpansen anstelle von Menschen infiziert. Doch selbst bei einem Schimpansen-Adenovirus kann es dennoch zu einer Kreuzimmunität kommen, bei vorbestehenden Immunität gegen humane Adenoviren. Die Immunität gegen das Vektorvirus kann sich auch nach der ersten Injektion in einem 2-Dosen-Regime entwickeln. Aus diesem Grund verwendet der russische Sputnik V Impfstoff zwei unterschiedliche Adenovirusstämme: ein Adenovirus-26 für die erste Dosis und ein Adenovirus-5 für die zweite Dosis. AstraZeneca und das Gamaleya-Institut in Russland planen eine Studie, in der ChadOx1 als erste Dosis und ein Adenovirus-26 als zweite Dosis verabreicht werden und umgekehrt. Der Johnson & Johnson-Impfstoff benutzt einen Adenovirus-26 Virusstamm.
In Zwischenanalysen ihrer jeweils im Lancet veröffentlichten Phase-III-Daten betrug die Wirksamkeit des AstraZeneca-Impfstoffs (in einem 2-Dosen-Regime) etwa 60 %* und die Wirksamkeit des 2-Dosen-Regimes des Sputnik V Impfstoffs etwa 91 %. Interessanterweise scheint der AstraZeneca Impfstoff wirksamer zu sein, wenn das Dosierungsintervall zwischen den beiden Dosen länger ist (zwischen 4 und 12 Wochen)*. Johnson & Johnson gab kürzlich in einer Pressemitteilung bekannt, dass in einer Zwischenanalyse ihrer Phase-III-Studie in den USA die Wirksamkeit ihres als Einzeldosis verabreichten Adenovirus-26 basierten Impfstoffs auf 72 % geschätzt wurde. Insgesamt scheint die Impfstoffsicherheit der Vektorimpfstoffe derzeit mit der der mRNA-Impfstoffe vergleichbar zu sein.
* Eine neue Subgruppen-Analyse der derzeit verfügbaren Daten aus klinischen Phase III-Studien zum AstraZeneca-Impfstoff zeigt eine Impfstoffwirksamkeit von ca. 80 %, vorausgesetzt, das Dosierungsintervall zwischen den Dosen eins und zwei beträgt 12 Wochen.
Proteinbasierte Impfstoffe
Dazu gehören Totimpfstoffe mit inaktivierten, vermehrungsunfähigen Viren wie dies bei der Grippeschutzimpfung der Fall ist; Subunit-Impfstoffe auf Basis von Virusproteinen, wie beim Hepatitis B-Impfstoff; und Virus-ähnliche Partikel-Impfstoffe, bestehend aus Partikel die sich aus gentechnisch hergestellten Virusproteinen zusammensetzen, wie beim Impfstoff gegen das humane Papillomavirus.
Coronavirus Totimpfstoffe werden von der staatlichen chinesischen Firma Sinopharm und der privaten chinesischen Firma Sinovac hergestellt. Die Inaktivierung der Coronaviren erfolgt durch Behandlung mit einer Chemikalie namens Beta-Propiolacton. Die Russen entwickeln ebenfalls einen Coronavirus-Totimpfstoff.
Ein proteinbasierter Impfstoff, für den derzeit Daten der Phase III verfügbar sind, ist der Impfstoff des US-amerikanischen Unternehmens Novavax. Der Novavax-Impfstoff verwendet stabile Präfusions-Coronavirus-Spike-Proteine, die zu Nanopartikeln zusammengefügt sind. Diese werden auch als virusähnliche Partikel bezeichnet werden. Der Impfstoff wird in zwei Dosen verabreicht und enthält ein Adjuvans zur Verstärkung der Immunreaktion.
In einer Pressemitteilung verkündete Novavax, dass gemäß einer Zwischenanalyse seiner Phase III Studie in Großbritannien die Wirksamkeit seines Impfstoffes bei 90 % läge.
Neue Varianten (Stämme) von SARS-CoV-2
Neue Varianten kommen in Großbritannien, Brasilien, Südafrika, Japan und in anderen Ländern vor. Jüngste In-vitro-Studien von Pfizer-BioNTech und Moderna legen nahe, dass ihre mRNA-Impfstoffe ihre Wirksamkeit gegen alle getesteten Coronavirus-Varianten bewahren.
Moderna-mRNA-Impfstoff
Die Moderna-NIH-Studie (Preprint) berichtet über Ergebnisse von In-vitro-Neutralisationsstudien mit Seren von Personen, die mit dem Moderna-Impfstoff geimpft wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Impfung neutralisierende Titer gegen alle wichtigen neu auftretenden Virusvarianten erzeugte, einschließlich der Varianten B.1.1.7 und B.1.351, die erstmals in Großbritannien bzw. in Südafrika identifiziert wurden. Die Südafrika-Variante stellt jedoch eine wichtige Herausforderung dar, da sie 10 Mutationen im Spike-Protein trägt, wobei sich drei Mutationen in der Rezeptorbindungsstelle befinden. Darunter eine wichtige sogenannte Antikörper-Fluchtmutation in Position 484. Entsprechend wurde bei der Südafrika-Variante eine sechsfache Verringerung der neutralisierenden Titer im Vergleich zu anderen Varianten beobachtet. Die Südafrika-Variante wurde dennoch vollständig neutralisiert, wenngleich nur bei niedrigeren Serenverdünnungen (1/300 gegenüber 1/1852 für andere Virusstämme).
Trotz dieser Abnahme bleiben die neutralisierenden Titer bei der Südafrika-Variante über den erwarteten Schutzwerten. Die aktuellen mRNA-Impfstoffe verhindern wahrscheinlich immer noch schwere Krankheiten, aber es könnte schwieriger sein, mildere Krankheiten und Übertragungen zu verhindern.
Die in diesen Studien beobachteten niedrigeren neutralisierenden Titer können jedoch auf ein potenzielles Risiko hinweisen, dass nämlich die Immunität gegen die neuen Südafrika-Stämme schneller abnehmen wird. Um diesem Risiko entgegenzutreten, kann eine zusätzliche dritte, Auffrischungsdosis über das primäre 2-Dosen-Regime hinaus in Betracht gezogen werden, mit dem Ziel die neutralisierenden Titer gegen neu auftretende Stämme weiter zu erhöhen. Die dritte Dosis kann entweder identisch mit den zwei ursprünglichen Dosen sein, oder aber auf die Südafrika-Variante zugeschnitten sein. Moderna plant seinen spezifisch auf die Südafrika-Variante zugeschnittenen Impfstoffkandidaten in präklinische Studien und in einer Phase-I-Studie in den USA zu prüfen. Da die Studie in den USA durchgeführt wird, deutet dies darauf hin, dass die Wirksamkeit in In-vitro- Neutralisationsstudien untersucht werden wird.
BioNTech-Pfizer mRNA-Impfstoff
In der Zwischenzeit veröffentlichte BioNTech-Pfizer auf dem Preprint-Server bioRxiv die Ergebnisse einer In-vitro-Studie, in der Seren von 20 geimpften Personen auf Neutralisierung gegen die britischen und südafrikanischen Varianten getestet wurden. Man stellte fest, dass für ein Drittel der Serumproben die Neutralisationstiter für die Südafrika-Variante halb so hoch waren wie für das Wildtyp-Virus. Die Neutralisationstiter für die Südafrika-Variante waren demnach nur geringfügig niedriger.
Soviel zu In-vitro-Laborstudien, aber wie sieht es in der realen Welt aus?
In kleinen Impfstoffstudien in Südafrika haben die in den USA ansässigen Unternehmen Novavax mit ihrem proteinbasierten Impfstoff und Johnson & Johnson mit ihrem Adenovirus-26 Vektorimpfstoff Daten der realen Welt zur Leistung ihrer Impfstoffe gegen die dortige neue Variante geliefert. In einer Pressemitteilung berichtete Novavax über eine Wirksamkeit von 49 % für ihren Impfstoffkandidaten in Südafrika, wobei die meisten Impfversager auf die Südafrika-Variante zurückgeführt wurden, verglichen mit einer Wirksamkeit von 90 % in ihrer britischen Studie. Johnson & Johnson berichteten in einer Pressemitteilung, dass ihr Adenovirus-26 Impfstoffkandidat, der als Einzeldosis verabreicht wurde, in Südafrika zu 57 % wirksam war, verglichen mit einer Wirksamkeit von 72 % in den USA.
Zum Glück sind genbasierte Impfstoffe, d.h. mRNA-, DNA- und Vektorimpfstoffe, „relativ einfach an eine neue Variante anzupassen". Sowohl Pfizer-BioNTech als auch Moderna haben angekündigt, dass sie etwa sechs Wochen bräuchten, um einen modifizierten Impfstoff zu entwickeln. Dies berücksichtigt jedoch nicht die Zeit, die benötigt wird, um Sicherheitsstudien (präklinisch, Phase I) durchzuführen, und um die Zulassung durch die Gesundheitsbehörden zu erhalten.
Hier die Links zum Webinar von Dr. Gérard Schockmel, der am 4. Februar 2021 von Laboratoire national de santé (LNS) im Rahmen der LuxMicrohub-Vortragsserie organisiert wurde. Das erste Video ist nur der Vortrag (auf Englisch), das zweite Video die Q&A-Session danach (ebenfalls auf Englisch).
Weitere Informationen von Dr. Gérard Schockmel ebenfalls in einem Podcast auf RTL Radio.
Autor des Texts: Dr. Gérard Schockmel
Editor: Michèle Weber (FNR)
Webinar-Video: LNS
