Sind DNA- und RNA-basierte Impfstoffe ein Ausweg aus der Coronakrise?

Kurze Antwort: Durchaus möglich, aber man sollte sich nicht darauf verlassen.

Derzeit wird an 115 potentiellen Impfstoffen gegen das derzeitig wütende Coronavirus SARS-CoV-2 geforscht. Mehr dazu gegen Ende des Artikels. Jetzt erstmal zum Hintergrund. Klassische Impfstoffe basieren auf inaktivierten Viren oder Virus-Teilen gegen die man impfen möchte. Diese Partikel können einen selber nicht krank machen, aber das Immunsystem dazu anregen Antikörper zu produzieren, die dem Körper Immunität verleihen. Wird man jetzt mit dem echten Virus infiziert, kann es sofort vom Immunsystem erkannt und bekämpft werden. Es hat somit überhaupt erst keine Chance sich im menschlichen Körper zu vermehren und gesundheitliche Probleme zu bereiten. Klingt logisch und ist auch so. Man ist immun.

Seit einiger Zeit wird aber auch Forschung und Impfstoffentwicklung betrieben, die auf einem abweichenden Immunitätsprozess beruht, sogenannte DNA- und RNA-Impfstoffe. Im Prinzip ist es egal worauf ein Impfstoff basiert solange er die richtige Wirkung zeigt, dennoch gelten DNA- und RNA-basierte Impfstoffe als innovativ, da sie auf einem anderen Weg eine Immunität im Menschen bewirken können. Die Vorteile liegen hauptsächlich darin, dass die Entwicklung solcher Impfstoffe viel zügiger vonstatten gehen können und sie es zudem ermöglichen gegen viel mehr Virus-Komponenten zu screenen, um so schneller an einen wirksamen Impfstoff zu kommen. Was das genau bedeutet darauf kommen wir gleich zu sprechen. Nachteile liegen in den hohen Kosten, die für solche Impfstoffentwicklung aufgebracht werden muss. Aber seien wir ehrlich, wo ist Arzneimittelentwicklung billig? Ein weiteres großes Problem stellt die Gabe so eines Impfstoffs dar. Er muss dem Menschen so verabreicht werden, dass die in der Impfung enthaltenen “Wirkstoffe” richtig im Körper funktionieren können. Im Gegensatz zur klassischen Impfung wo das menschliche Immunsystem direkt zur Arbeit schreiten und eine Immunität aufbauen kann, müssen bei DNA- und RNA-Impfstoffen Immunzellen die durch die Impfung verabreichten Informationen erstmal lesen und bearbeiten bevor zum Schluss eine Immunität aufgebaut werden kann. Dies gestaltet sich schwierig, ist aber durchaus möglich und umsetzbar.

Um die ganze Theorie hinter alldem zu verstehen, muss ich kurz über das zentrale Dogma der Biologie sprechen: Die DNA die wir in jeder unserer Zelle tragen wird jeweils in RNA umgeschrieben und diese wiederum abgelesen, um Proteine zu erzeugen. Proteine sind die Bauteile aller unserer Zellen und beruhen auf Bauplänen, die wir in unserer DNA abgespeichert haben. Proteine steuern alle Aspekte unseres Stoffwechsels, sind verantwortlich für alle molekularen Prozesse und sind letztendlich das, woraus wir bestehen. Der Informationsfluss läuft also folgendermaßen in der Biologie des Menschen ab: DNA —> RNA —> Protein. Informationen in unserem Körper werden so tagtäglich Milliarden mal prozessiert.

Bei klassischen Impfstoffen wird inaktiviertes Virus-Protein gespritzt. Ruft man sich jetzt aber das zentrale Dogma der Biologie ins Gedächtnis wird schnell klar, dass man auch früher ansetzen könnte. Kann man nicht-infektiöse Virus-DNA oder Virus-RNA als Kontrast zu den klassischen Impfstoffen verabreichen? Ja und Vorteile hat es auch noch! Impfungen sind eines der wichtigsten menschlichen und wissenschaftlichen Errungenschaften und wir hatten bisher sehr viel Zeit gegen einige Viren Impfstoffe zu entwickeln und den Prozess der Entwicklung zu optimieren. Wieso sollten wir uns also für andere Impfstoff-Arten interessieren? Ganz einfach, weil diese potentiell gegen Viren entwickelt werden können für die wir bisher noch keine klassischen Impfstoffe haben und wo es eher schwer erscheint einen klassischen Impfstoff zu entwickeln. Zudem ist es theoretisch möglich so einen Impfstoff wesentlich schneller herzustellen. Natürlich ideal, wenn man besonders schnell einen braucht, was jetzt der Fall ist. Man sollten einen wissenschaftlichen Status Quo niemals aufrecht erhalten, sondern immer wieder neu bewerten und versuchen zu verbessern. Es ist also gut, dass die wissenschaftliche Forschung niemals still steht. In dem Feld der Impfstoffentwicklung ist sie gerade sehr aktiv.

DNA-Impfstoffe basieren auf synthetischen DNA-Molekülen, die – wenn vom menschlichen Körper als Bauplän herangezogen werden – Proteine produzieren, die beispielsweise in ähnlicher Form in Viren vorkommen. Diese wiederum werden vom Immunsystem erkannt und lösen so eine Immunität gegen das jeweilige Virus aus, welches dieses Protein innehat. Hört sich nach SciFi an? Ist es nicht. Zahlreiche solcher DNA-Impfstoffe befinden sich derzeit in der klinischen Erprobung und so werden vielleicht schon bald DNA-Impfstoffe für HIV, VEEV, Zika Virus, Ebola Virus, MERS-Cov und Influenza verfügbar sein. Der klare Vorteil von DNA-Impfstoffen ist der, dass man die synthetischen DNA-Moleküle so optimieren kann, dass sie eine starke und zuverlässige Immunantwort auslösen können, was sich bei klassischen Impfstoffen eher schwieriger gestaltet. Zudem kann man synthetische DNA-Moleküle herstellen, die in jedes einzelne Virus-Protein umgewandelt werden können und so kann man wesentlich besser screenen, welchen Protein-Bauplan man mit der synthetischen DNA dem Menschen verabreicht. Man ist hier also viel flexibler als bei klassischen Impfstoffen. Ein weiterer medizinischer Nutzen von DNA-Impfstoffen liegt in der Immuntherapie von beispielsweise Krebs. Hier gilt das gleiche Prinzip. Synthetische DNA-Moleküle die Krebs-spezifische Proteine produzieren, können das Immunsystem dazu anregen den Krebs besser und schneller zu bekämpfen. An so etwas wird gerade mit Hochdruck geforscht und es scheint so, dass die Krebs-Immuntherapie die Krebsbehandlung revolutionieren wird. In diesem Sinne haben DNA-, aber auch RNA-Impstoffe eine doppelte Funktion.

Fig. 1: DNA-Impfstoffe können zum Immunität-Aufbau gegen Pathogene als auch zur Therapie von Krebs eingesetzt werden und befinden sich gerade in der klinischen Erprobung. Bildquelle: 10.1016/j.coi.2020.01.006.

RNA-Impfstoffe basieren auf dem exakt gleichen Prinzip, bloß statt synthetischer DNA wird eben synthetische RNA verabreicht. Diese kann theoretisch zum Aufbau von Immunität gegen allerlei Pathogene verwendet werden, hat aber ebenso einen Nutzen für die Immuntherapie. Der große Nachteil von RNA-Impfstoffen liegt darin, dass RNA-Moleküle extrem instabil sind. Um also funktionelle RNA-Impfstoffe entwickeln zu können, muss man auf irgendeine Art und Weise die RNA stabilisieren. Dies ist durchaus möglich, beispielsweise durch chemische Modifikationen, wie sie auch in unserem Körper auf biologische Art und Weise an RNAs durchgeführt werden. Ein Vorteil gegenüber DNA-Impfstoffen liegt darin, dass RNA-Impstoffe nicht in den Zellkern von Zellen gelangen müssen, um in Protein umgewandelt zu werden. DNA-Impfstoffe müssen dies, da DNA im Zellkern zu RNA umgewandelt wird und RNA zu Protein außerhalb des Zellkerns.

Fig. 2: RNA-Impfstoffe müssen im Gegensatz zu DNA-Impfstoffen nicht in den Zellkern von Zellen gelangen, um in Protein umgewandelt zu werden. Bildquelle: 10.1016/j.coi.2020.01.008.

Abschließend möchte ich festhalten, dass die Entwicklung von DNA- und RNA-Impfstoffe sich durchaus eignen um eine Impfung gegen das derzeit wütende SARS-CoV-2 zu entwickeln. Natürlich muss aber auch weiterhin an klassischen Impfungen weitergeforscht werden. So bleibt nur abzuwarten, wer am Ende das Rennen macht. Mittlerweile gibt es schon einige Kandidaten, die für eine Impfung gegen SARS-CoV-2 in Frage kommen. Hohe Wellen dabei haben zahlreiche Nachrichtenmeldungen geschlagen, wonach angeblich eine auf RNA-Impfstoffen basierte Firma in die USA gelockt werden sollte.  Nachdem sich die weitreichende Empörung gelegt hatte, ist wohl jedem hoffentlich klar geworden, dass man sich nicht nur auf einen potentiellen Impfstoffkandidaten ausruhen sollte, welchen diese Firma wohl hat. Wissenschaftlich gesehen muss man immer mehrere Ansätze und Kandidaten verfolgen und entwickeln, denn am Ende des Tages wird sich in klinischen Prüfungen zeigen, dass nur ein sehr geringer Teil es tatsächlich zur Anwendung schaffen wird, wenn überhaupt. So bin ich dann doch froh, dass es neben der oben angesprochenen Firma auch noch einige andere Ansätze gibt. Stand heute gibt es insgesamt 115 Impfstoffkandidaten von denen jeweils 10 auf DNA und 10 auf RNA basieren. Das ist eine ganze Menge.

Fig. 3: Es gibt insgesamt 115 Impfstoffkandidaten, die auf unterschiedlichen Ansätzen beruhen. Zu 78 dieser Kandidaten gibt es zusätzliche Informationen. 5 dieser Kandidaten befinden sich in der menschlichen Erprobung. Bildquelle: The COVID-19 vaccine development landscape.

Insgesamt 5 von diesen 115 Kandidaten befinden sich in der klinischen Phase I, werden also zum ersten Mal am Menschen getestet. Der Rest befindet sich noch in der pre-klinischen Phase, wird also in der Zellkultur oder an Versuchstieren erprobt, bevor man dann in den Menschen gehen kann. Leider gibt es nicht zu allen 115 Kandidaten umfassende Informationen und so können vielleicht noch mehr wohlmöglich kurz vor der klinischen Erprobung stehen. Man wird es sehen. Wir stehen gerade also erst am Anfang. Wer zuerst auf den Markt kommt, dem ist dann wohl ein sehr großer Wurf gelungen. Darauf können wir nur hoffen. Eines muss aber klar sein: Es ist nicht gesagt, dass tatsächlich eine wirksame Impfung entwickelt werden kann. Falls doch, wird dies noch einige Zeit dauern.

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Titelbild: Alfcermed auf Pixabay.

Bei Interesse sind hier 4 ausführliche Reviews zu dem Thema DNA- und RNA-Impfstoff zu finden:

1.) Ebony N Gary, David B Weiner,
DNA vaccines: prime time is now,
Current Opinion in Immunology,
Volume 65, 2020, Pages 21-27, ISSN 0952-7915,
https://doi.org/10.1016/j.coi.2020.01.006.

2.) Norbert Pardi, Michael J Hogan, Drew Weissman,
Recent advances in mRNA vaccine technology,
Current Opinion in Immunology, Volume 65, 2020,
Pages 14-20, ISSN 0952-7915,
https://doi.org/10.1016/j.coi.2020.01.008.

3.) Wadhwa, A.; Aljabbari, A.; Lokras, A.; Foged, C.; Thakur, A. Opportunities and Challenges in the Delivery of mRNA-Based Vaccines. Pharmaceutics 2020, 12, 102.

4.) Versteeg, L.; Almutairi, M.M.; Hotez, P.J.; Pollet, J. Enlisting the mRNA Vaccine Platform to Combat Parasitic Infections. Vaccines 2019, 7, 122.

 

 

Sebastian Reusch

Veröffentlicht von

Sebastian Reusch ist Naturwissenschaftler und studierte Biologie mit den Schwerpunkten Zell- und Entwicklungsbiologie, Genetik und Biotechnologie an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Danach arbeitete er am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin an molekularbiologischen Prozessen des Immunsystems. Derzeit promoviert er am IRI Life Sciences der Humboldt-Universität zu Berlin an grundlegenden Fragen der Zellbiologie und Biochemie des Tubulin-Zytoskeletts in Stammzellen. Seine Schwerpunktthemen hier im Blog sind Molekularbiologie und Biomedizin. Twitter: @MrEnkapsis

6 Kommentare

  1. Ja, frühestens nächstes Jahr wird ein Impfstoff bereit sein. Aber dann muss er sich noch in einer grösseren Testgruppe bewähren bevor er dann auf die gesamte Menschheit losgelassen werden kann. Die Sicherheitsanforderungen sind bei Impfstoffen sehr hoch, denn es sind ja Gesunde, die sie erhalten und die sollen ja gesund bleiben, nur dass sie anschliessend vor einer Infektion geschützt sind.

    Viel schneller einsetzbar wäre wohl eine Art 🦠 Virenblocker, also eine Substanz, die sich fest mit dem Virus verbindet und ihn so inaktiviert. Nur nachgewiesenermassen Infizierte würden diesen Virenblocker erhalten. Im Idealfall wäre die Krankheit dann gestoppt.

  2. Der Impfstoff mRNA-1273 für COVID-19 von Moderna ist mRNA-basiert und wurde bereits an Freiwilligen getestet. Im Times Magazin werden aber trotzdem die Hoffnungen auf einen baldigen Einsatz gedämpft:

    Obwohl die Tests des Impfstoffs mindestens ein Jahr dauern werden, könnten die Arbeiten wertvolle Informationen darüber liefern, wie das Immunsystem Coronaviren bekämpfen kann, und den Wissenschaftlern einen Vorsprung verschaffen, falls es zu neuen Ausbrüchen des Virus kommen sollte.

    Mindestens theoretisch haben mRNA (Messenger-RNA) – Impfstoffe grosse Vorteile gegenüber allen anderen Impfstoffklassen:
    1) mRNA-Impfstoffe sind prinzipiell immer gleich aufgebaut, nur gerade der Abschnitt welcher auf das Zielvirus ausgerichtet ist, ändert sich jeweils. Diese Standardisierung macht sie zumindest theoretisch sicherer, weil immer der gleiche Immunprozess angestossen wird.
    2) mRNA-Impfstoffe aktivieren sowohl eine zelluläre, als auch eine humorale Antwort. Es werden also Zellen des Immunsystems aktiviert und neutralisierende Antikörper gebildet.
    3) mRNA-Impfstoffe wirken implizit adjuvant. Das bedeutet, dass sie von sich aus das Immunsystem aktivieren. Bei konventionellen Impfstoffen dagegen sind häufig Zusatzstoffe, eben Adjuvantien nötig um das Immunsystem auf Trab zu bringen
    4) mRNA-Impfstoffe müssen nicht in den Zellkern vordringen wie es DNA-Impstoffe müssen und mRNA-Impfstoffe werden nicht in die eigene DNA eingebaut wie das bei DNA-Impfstoffen nicht ganz ausgeschlossen ist.

    Vermutung: mRNA-Impfstoffe haben noch eine grosse Karriere vor sich.

  3. Ich hätte da eine Frage. Ich beziehe mich auf einen Text von Prof Vogt (den ich zum Großteil sehr gut finde…):

    https://www.mittellaendische.ch/2020/04/07/covid-19-eine-zwischenbilanz-oder-eine-analyse-der-moral-der-medizinischen-fakten-sowie-der-aktuellen-und-zuk%C3%BCnftigen-politischen-entscheidungen/

    Zitate daraus:

    “dass es in den letzten 17 Jahren nicht gelungen ist, weder eine Impfung, noch einen monoklonalen Antikörper gegen Corona-Viren zu entwickeln;”

    “dass es überhaupt noch nie gelungen ist, eine Impfung gegen welches Corona-Virus auch immer zu entwickeln;”

    Hat das damit zu tun, dass bisher noch nicht mit Hochdruck an Impfstoffen dieser Art geforscht wurde, oder ist das ein generelles Problem mit Coronaviren?

    • Hi Cliff,

      das mangelnde Interesse und dadurch auch fehlende Geld ist durchaus ein Faktor der dazu beigetragen hat. Leider hängen hinter Arzneimitteln zu oft wirtschaftliche Interessen und so war es bisher einfach – sagen wir mal – uninteressant einen Impfstoff gegen Coronaviren zu entwickeln. Das ist natürlich fahrlässig, denn Coronaviren wurden ja als “die” Virusfamilie eingestuft, die am ehesten eine Epidemie/Pandemie in Zukunft auslösen kann. Natürlich kann man aber auch nicht mit dem Finger auf einzelne zeigen. Ich denke es handelt sich vielmehr um ein Totalversagen. Peter Hortez ist Wissenschaftler und Spezialist auf dem Gebiet. Er hat dazu ein Interview gegeben, was bestätitg, dass einfach das Interesse bisher gefehlt hat. Jetzt liegt der Fokus vieler Pharmaunternehmen und Forschungsgruppen natürlich darin, endlich einen Impfstoff zu entwickeln. Das wird aber echt noch dauern, wenn man denn überhaupt einen hinbekommt. Was ja auch nicht gesagt ist.

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