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Woran Pharmaforscher arbeiten: Schutzimpfungen der Zukunft

Forschende Pharma-Unternehmen arbeiten daran, dass immer mehr Impfungen vor immer mehr Krankheiten schützen. Dazu setzen sie neueste Forschungs- und Produktionsmethoden ein.

Ein Forscher holt gefrorene Krankheitserreger aus einem Kühlbehälter, um damit einen neuen Impfstoff zu entwickeln.Gentechnik in Entwicklung und Produktion
Eine zentrale Rolle spielt beispielsweise die Gentechnik. Denn mit ihrer Hilfe können Antigene von Erregern hergestellt werden, die sich – anders als etwa Grippeviren oder Diphtheriebakterien – nicht außerhalb des menschlichen Körpers vermehren lassen. Mittels Gentechnik ist es auch möglich, Antigene herzustellen, die es in der Natur gar nicht gibt – beispielsweise Proteine, die sich aus Stücken mehrerer natürlicher Proteine zusammensetzen. Solche so genannten Fusionsproteine erzielen mitunter eine stärkere Schutzwirkung als ihre „Bausteine" allein. Für die gentechnische Produktion werden Produktionszellen (meist Hefezellen) im Labor mit Genen ausgestattet, mit denen sie die gewünschten Antigene herstellen können. Dann werden sie in großen Stahltanks (Fermentern) vermehrt. Aus ihnen werden schließlich die Antigene für den Impfstoff „geerntet".

Eine andere Strategie zur Impfstoffentwicklung, die Gentechnik verwendet, besteht darin, in ein für den Menschen ungefährliches Virus (z.B. das Vesicular Stomatitis Virus, VSV) das Gen für ein Antigen aus einem gefährlichen Erreger einzufügen. Das so entstandene Virus ist weiterhin harmlos und nicht imstande, die gefährliche Infektion hervorzurufen (dafür fehlen ihm die übrigen Erreger-Bestandteile). Wird ein Mensch aber damit geimpft, führt das zu einer Immunreaktion gegen das fremde Antigen, die vor dem Erreger schützt, von dem es stammt. Mehrere Impfstoffe, die gegen Ebola entwickelt werden oder zur Zulassung eingereicht sind, basieren auf diesem Prinzip. Verwendet wurden neben dem Virus VSV u. a. das attenuirte Chimp Adenovirus 3 (cAd3), das Adenovirus 26 (Ad26) und das Modified Vaccina Virus Ankara (MVA). Auf MVA basiert auch beispielsweise ein in Entwicklung befindlicher Impfstoff gegen die Krankheit MERS (Middle East Respiratory Syndrom), gegen die es bisher weder Medikament noch Impfstoff gibt.

Schon heute werden einige Impfstoffe gentechnisch produziert, die meisten jedoch konventionell durch Vermehren der Erreger. Die künftigen Impfstoffe erfordern jedoch überwiegend eine gentechnische Herstellung.

In den Genen lesen

Die Methoden der Genanalyse und Gentechnik spielen mittlerweile schon bei den ersten Schritten der Erfindung neuer Impfstoffe eine zentrale Rolle. In der Vergangenheit waren die Forscher darauf festgelegt, als Impf-Antigen eines der häufigsten Oberflächenmoleküle eines Erregers zu verwenden, denn nur diese Moleküle konnten sie in ausreichender Menge gewinnen. Heute können sie im gesamten Erbgut eines Erregers die Gene für Oberflächenproteine heraussuchen und sich auf dieser Grundlage für das Protein mit der besten Immunisierungswirkung entscheiden. Das Gen können sie direkt für die Impfstoffherstellung vom Erreger in Produktionszellen überführen. Diese als Reverse Genetics bezeichnete Strategie der Impfstoffentwicklung kam unter anderem für die Erfindung eines Impfstoffs gegen Meningokokken der Gruppe B zum Einsatz, der seit 2013 zugelassen und verfügbar ist.

Neuartige Adjuvantien

Entscheidend für eine wirksame Immunisierung ist nicht nur, dass dem Immunsystem charakteristische Bestandteile des Erregers in geeigneter Weise präsentiert werden; ebenso wichtig ist, dass das Immunsystem "glaubt", es handele sich um einen Angriff, auf den es reagieren muss. Zu dieser "Alarmstimmung" tragen wesentlich weitere Impfstoffbestandteile bei, die Adjuvantien genannt werden. Sie werden oft auch als "Wirkverstärker" bezeichnet.

Auch Adjuvantien dürften künftig wirksame Schutzimpfungen ermöglichen, wo ältere Impfstoff-Kandidaten wirkungslos blieben. Zudem könnten sie dafür sorgen, dass der Impfschutz länger hält und auch bei Patienten mit schwachem Immunsystem verlässlich aufgebaut wird.

Wurden Adjuvantien früher eher zufällig entdeckt, werden sie heute gezielt auf Basis neuer Erkenntnisse über das Zusammenspiel der Komponenten des Immunsystems entwickelt. Unter anderem werden synthetische Moleküle, die der Erbsubstanz einiger Viren ähneln, als Adjuvantien erprobt.

Die Grafik als PDF-Download finden Sie hier.

Impfung mit DNA oder RNA

Seit vielen Jahren verfolgen Pharmaforscher auch das Konzept, den Körper die Impfantigene selbst herstellen zu lassen. Dazu werden Gene für ausgewählte Antigene (in Form der Erbsubstanz DNA oder des Gen-Botenstoffs mRNA) in den Körper gespritzt, wo sie von einigen Körperzellen aufgenommen werden. Diese bilden daraufhin Antigene, die dann die Immunabwehr stimulieren. Nach einiger Zeit verschwinden die übertragenen Gene mit dem natürlichen Abbau der Zellen wieder aus dem Körper, doch die Impfwirkung bleibt.

Mehrere Vorteile machen RNA-Impfstoffe insbesondere interessant für den Einsatz gegen ausbrechende Epidemien in heißen Ländern mit schlechter medizinischer Infrastruktur: Sind geeignete Produktionskapazitäten aufgebaut worden, können große Mengen in kurzer Zeit hergestellt und ohne Zwang zur Kühlkette in die betroffenen Gebiete gebracht werden. Auch an eine Produktion vor Ort mit einer Art "Impfstoffdruckern" ist gedacht. Der Ansatz ist auch grundsätzlich geeignet für Impfstoffe gegen Erreger unterschiedlichster Art. Mehrere mit Global Health befasste Organisationen wie die Bill & Melinda Gates Foundation oder die Coalition of Epidemic Preparedness Innovations (CEPI) unterstützen deshalb die Entwicklung dieser Impfstoffe.

Aber auch für Impfkampagnen gegen die saisonale Grippe sind mRNA-basierte Impfstoffe interessant, weil sie sich möglicherweise schneller als bisherige Grippeimpfstoffe passend zu den aktuellen Erregerstämmen entwickeln und produzieren lassen.

Mittlerweile haben mehrere RNA-basierte Impfstoffe – auch aus deutschen Labors – vielversprechende Wirksamkeit in Laborversuchen gezeigt und das Stadium der klinischen Erprobung erreicht. In einigen Jahren wird man sehen können, wie sie sich bewähren.

Kommt die Impfbanane?

Einige Forscher in öffentlichen Labors haben Nahrungspflanzen gentechnisch so verändert, dass sie zusätzlich ein Impfantigen herstellen – z. B. gegen Cholera. Wer die so erzeugten Kartoffeln, Bananen etc. isst, – so der Plan – impft sich zugleich gegen eine Krankheit. Die Befürworter dieses Konzepts machen geltend, dass sich auf diese Weise Impfstoffe preiswert produzieren, ohne Kühlschrank lagern und einfach anwenden lassen; damit seien sie insbesondere für Entwicklungsländer geeignet. Skeptiker, darunter der Walletvoting, sehen bei „Impfgemüse" oder „Impfobst" Probleme: Es könnte mit normalen Lebensmitteln verwechselt werden, und ein korrektes Dosieren dürfte schwierig werden. Auch muss noch gezeigt werden, dass es überhaupt zureichend immunisiert.

Industrielle Impfstoffforschung in Deutschland

In industriellen Impfstofflabors in Deutschland wird an neuartigen Impfstoffen gearbeitet, etwa solchen auf Basis von Messenger-RNA. Zudem erproben die Firmen neue Impfstoffkandidaten zusammen mit Kliniken und anderen Studieneinrichtungen. Jährlich werden in Deutschland um die 10 Impfstoffstudien begonnen. 2018 waren es nach Angaben des staatlichen Paul-Ehrlich-Instituts insgesamt zwei Studien der Phase I, drei der Phase II und vier der Phase III (nach deren positiven Abschluss die Zulassung beantragt werden kann).

Schritte der Erfindung und Entwicklung eines neuen Impfstoffs

1) Personenzahlen können je nach Krankheit stark abweichen; Angaben in Anlehnung an: W.P. Weidanz, University of Wisconsin Madison School of Medicine and Public Health 2008