Wie DNA- und RNA-Impfungen funktionieren

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Ich habe meinen Urlaub genutzt, um mir ein bisschen was über DNA- und RNA-Impfstoffe durchzulesen. Die gelten ja als der neue heiße Scheiß in der Impfstoffentwicklung, und zwei der aktuell in Phase-III-Studien getesteten Coronavirus-Impfstoffe sind RNA-Vakzinen. Der Witz dabei ist, dass sie den eigentlichen Impfstoff gar nicht enthalten. Die Proteine, die das Immunsystem “scharf schalten”, produziert der Körper selbst.[1]

Die beiden mRNA-Impfstoffe gegen Covid-19 – einer von Moderna, der andere von einem Konsortium um BioNTech – codieren das Spike-Protein von Sars-CoV-2 samt seiner Rezeptorbindenden Domäne. Aber eben so, dass sie aussehen wie mRNA. Man gibt der Zelle also ein Molekül, das einer Anweisung des Zellkerns entspricht, dieses Protein herzustellen. Was sie auch tut.

Allerdings hat die Forschung bis vor wenigen Jahren weitgehend mit DNA gearbeitet. Das hatte zum Teil historische Gründe. Dass auch fremde, nicht im Erbgut eingebaute DNA oder RNA Zellen dazu bringt, die entsprechenden Proteine herzustellen, weiß man seit 1990, eben so wie dass sich so produzierte Virusproteine als Impfstoff eignen.

DNA-Impfstoffe

In den 90er Jahren erschien es realistischer, dieses neue Impfprinzip mit der recht gut händelbaren DNA umzusetzen, statt mit instabiler RNA. Deswegen sind auch alle bisher in der Veterinärmedizin zugelassenen Erbgut-Impfstoffe DNA-basiert. Das grundlegende Wirkprinzip von DNA- und RNA-Vakzinen ist sehr ähnlich – es gibt auch eine Reihe DNA-Impfstoffkandidaten gegen Covid-19 -, allerdings sind DNA-Impfstoffe deutlich komplizierter.

DNA wird anders als mRNA nicht direkt in ein Protein übersetzt, und deswegen muss man ein bisschen tricksen, damit die Zelle daraus das gewünschte Produkt in großer Menge herstellt. Ein DNA-Impfstoff bestehen aus einem ringförmigen Erbgutstrang, Plasmid genannt, der eine Reihe von Funktionen in sich vereint.

Zuerst einmal trägt er natürlich ein oder mehrere Virusgene, die von der Zelle in ein Protein übersetzt werden und als Angriffsziel fürs Immunsystem wirken. Beim Coronavirus ist das oft das Spike-Protein. Damit die Zelle viel davon erzeugt, muss davor ein Promoter geschaltet werden – ein Stück Erbgut, das der Zelle sagt, dass sie das Gen in ein Protein übersetzen soll. Es gibt sehr unterschiedliche Promoter, alle haben ihre Vorteile und Nachteile.

Neben diesem Kernstück enthält das Plasmid weitere Komponenten, darunter ein besonderes Signal, das die Zelle dazu bringt, es in den Zellkern zu tragen. Dann enthält es zum Beispiel Gene für Proteine, die die Immunreaktion anregen. Gensegmente, die mehr Cytosin und Guanin enthalten, haben einen ähnlichen Effekt.

RNA-Impfstoffe

RNA-Impfstoffe dagegen können sich einige dieser Funktionen sparen. Sie müssen nicht in den Zellkern gelangen, weil die Zelle sie direkt in Proteine übersetzt. Deswegen brauchen sie auch keinen Promoter. Auch die Maßnahmen zur Stimulierung des Immunsystems kann man sich sparen. Die bloße Präsenz fremder RNA erzeugt eine starke angeborene Immunreaktion.[2]

Allerdings sind RNA-Vakzinen erst in jüngster Zeit dank einer entscheidenden neuen Entwicklung praktikabel geworden. Man muss einige der Basen durch chemisch verwandte Stoffe ersetzen. Die so veränderte RNA löst mehrere Probleme.[3] Vor allem ist sie viel stabiler als normale RNA. Dadurch gelangt mehr davon in die Zelle und jedes Molekül wird häufiger in das Protein übersetzt. Seither hat sich gezeigt, dass auch RNA, verpackt in eine kleine künstliche Membranblase, prinzipiell als realer Impfstoff taugt.

Solche Vakzinen, egal ob sie RNA oder DNA enthalten, haben gegenüber anderen Impfmethoden einen ganz simplen Vorteil. Erbgutstränge kann man sehr schnell produzieren, viel schneller als klassische Impfstoffe, für die man erst Viren herstellen muss. Die Grippeimpfung zum Beispiel hat eine Vorlaufzeit von nahezu einem Jahr, bevor sie eingesetzt werden kann – eben weil die Impfviren erst gezüchtet und gereinigt werden müssen.

Vorteile von Impfungen mit Erbgut

Ein wesentlicher Vorteil der Erbgut-Impfstoffe ist aber, dass sie die T-Zell-Antwort des Immunsystems viel effektiver stimulieren. Zumindest theoretisch. Das liegt daran, dass sie ein wesentliches Merkmal einer Virusinfektion simulieren, nämlich infizierte Zellen. Gleichzeitig besteht bei ihnen nicht die Gefahr, dass sie selbst eine gefährliche Infektion auslösen. Bei abgeschwächten Viren, zum Beispiel jenen der Polioimpfung, kann das durchaus passieren.

Inaktivierte Viren oder Teile von Viren dagegen schwimmen nur im Blut herum erzeugen deswegen vor allem eine Antwort in Form von Antikörpern, die Viren im Blut abfangen[4]. Doch wenn das echte Virus angreift, verschwindet es in den Zellen und kann sich ungestört von den Antikörpern vermehren. Das mag ein Grund sein, weshalb nur wenige Impfstoffe wirklich vollen Schutz bieten. Sie aktivieren nicht jene Komponenten des Immunsystems, die speziell gegen Zellen befallende Erreger wie Viren wirken

Zellen haben Mechanismen, mit denen sie fremdes Erbgut in der Zelle aufspüren und das Immunsystem aktivieren. Spezielle Mustererkennungsproteine reagieren auf verschiedene Signale, darunter virentypische chemische Strukturen am Ende von RNA, einzelsträngige DNA, doppelsträngige RNA  oder Bereiche, die besonders reich an den Basen Cytosin und Guanin sind.[5] Um dem zu entgehen, hüllen Coronaviren ihr Erbgut in eine Membranblase und verdecken die verräterischen Phosphatgruppen am Ende ihrer RNA mit besonderen Proteinen.

Ein Impfstoff aus nacktem Erbgut dagegen ist darauf ausgerichtet, das Immunsystem maximal zu alarmieren. Die Mustererkennungsproteine leiten eine zelluläre Reaktion ein, in deren Zentrum die Typ-1-Interferone stehen. Sie werden von infizierten Zellen erzeugt und leiten in ihr und im restlichen Körper eine starke Immunreaktion gegen Viren aus. Bei Coronaviren kann die erste starke Antwort der angeborenen Immunität ausreichen, um das Virus wieder loszuwerden.

T-Zell-Reaktion

Für einen Impfstoff ist aber der zweite Effekt interessanter. Wenn die Zelle anfängt, die viralen Proteine herzustellen, präsentieren zwei spezielle Proteine, MHC I und MHC II, kleine Teile dieser Moleküle auf der Außenseite der Zelle. Zusammen mit dem Alarmsignal durch Typ-1-Interferone aktiviert das die CD4- und CD8-T-Zellen des Immunsystems.

Erstere haben vor allem Signalfunktion und verstärken die Antikörperantwort, letztere greifen infizierte Zellen an und vernichten das Virus am Ort seiner Vermehrung. Vor allem aber bilden die so aktivierten Abwehrmechanismen effektiv Gedächtniszellen, die sehr lange im Körper zirkulieren. Diese vollständige Aktivierung der zellulären Immunantwort macht DNA- und RNA-Impfstoffe im Prinzip sehr attraktiv. Daneben gibt es eine Reihe weiterer günstiger Eigenschaften. Solche Impfstoffe müssen nicht gekühlt werden, sie sind einfach und kostengünstig herzustellen und können schnell verändert werden.

Die Sache hat allerdings einen Schönheitsfehler. Bisher funktioniert sie nicht. Es gibt keinen einzigen auf Erbgut basierenden Impfstoff, der bei Menschen zugelassen wäre. Funktioniert hat das Prinzip bisher nur bei Tieren; Versuche mit Mäusen bringen gute Ergebnisse, und es gibt zugelassene Impfstoffe gegen Krankheiten von Lachsen und Geflügel. Bei Menschen tauchen aber immer wieder Probleme auf.

Warum es bisher nicht funktioniert

Die größte Schwierigkeit ist, dass die Erbgutimpfstoffe bei Menschen nur eine schwache Immunantwort erzeugen, selbst wenn sie in Mäusen oder Geflügel gut funktionieren. Fachleute vermuten, dass das schlicht eine Frage der Menge ist. Das Plasmid gelangt in zu wenige Zellen, um das Immunsystem wirklich zu provozieren – bei kleineren Tieren ist der Anteil im Vergleich zum Körpergewicht weit höher.

Daneben gibt es molekularbiologische und immunologische Hürden: Jener Teil des Erbguts, der das Auslesen des Gens steuert, kann inaktiviert werden oder gar nicht aktiv genug sein. Außerdem spielt es eine große Rolle, welcher Zelltyp im Körper das Virusprotein präsentiert. Verfahren, mit denen man zuverlässig große Mengen RNA oder DNA in die gewünschten Zellen einbringen kann, sind erst in der Entwicklung.

Nicht zuletzt gibt es zwei potenzielle Sicherheitsprobleme. Zum einen ist es möglich, dass die Impf-DNA ins Erbgut eingebaut wird; frühere Erfahrungen zeigen, dass das am Ort der Impfung vorkommen kann, wenn auch in kleinen Mengen. Inwiefern aus dieser Möglichkeit Risiken erwachsen, ist unklar. Bei Nutz- und Haustieren würde beispielsweise eine leicht erhöhte Krebsrate wohl nicht auffallen.

Zum anderen besteht das theoretische Risiko, dass der Körper das von den Zellen hergestellte Protein nicht etwa als Steckbrief eines möglichen Krankheitserregers interpretiert, sondern als körpereigenes Material. Das Immunsystem würde das Virus bei einer Infektion schlicht tolerieren.

Das wäre natürlich nicht so richtig gut. Mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung mit diesen Vakzinen deuten darauf hin, dass sie grundsätzlich ungefährlich sind. Allerdings bisher meistens auch für Viren. In den letzten Jahren fanden hunderte klinische Studien an DNA- und RNA-Vakzinen gegen menschliche Krankheiten statt. Bisher ohne Erfolg. Es wäre natürlich schön, wenn der Durchbruch ausgerechnet bei Covid-19 käme, aber ich bin da ein bisschen skeptisch.[6]

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[1] Die russische Vakzine Sputnik-V funktioniert übrigens sehr ähnlich. Sie nutzt ein Adenovirus als Vektor, um das Corona-Gen in die Zelle zu transportieren – ein Verfahren, das ebenfalls ein paar große Haken hat. Diese Methode ist allerdings noch mal ein ganz anderes paar Stiefel, deswegen lass ich das mal weg.
[2] Bei der angeborenen Immunantwort werden direkt als Reaktion auf die Infektion virale Proteine unterdrückt und infizierte Zellen gekillt. Dieser antivirale Mechanismus ist so stark, dass er unter bestimmten Umständen Coronaviren wieder beseitigt, bevor die erlernte Immunreaktion sich warmgelaufen hat. Das ist ein möglicher Grund, warum milde Infektionen oft so eine schwache langfristige Antikörperantwort erzeugen.
[3] Eins der Probleme war, dass die Immunreaktion auf RNA für einige Zwecke zu heftig ist.
[4] Das stimmt nicht ganz, würde im Detail hier aber zu weit führen.
[5] Plasmide für DNA-Impfungen enthalten extra deswegen solche Signalbereiche.
[6] Ich kann nur noch mal davor warnen, Berichte über hohe Antikörpertiter durch getestete Coronavirus-Impfstoffe automatisch als Nachweis einer Schutzwirkung zu betrachten. Ob dieser Zusammenhang so gilt, ist mindestens unklar. Ob ein Impfstoff schützt, welchen Anteil der Geimpften und für wie lange, erfährt man im Phase-III-Trial. Nicht vorher. Ob zum Beispiel der ungetestete russische Impfstoff wirkt, ist komplett unbekannt. Und da Coronavirus-Impfstoffe bekanntermaßen kompliziert sind (und die russische Regierung jetzt für immer und ewig behaupten muss, dass es funktioniert), tippe ich mal, dass die Wirksamkeit des Impfstoffes sehr lange, ahem, “umstritten” sein wird.

4 Kommentare

  1. Lars Fischer schrieb (12. Aug 2020):
    > […] samt seiner Rezeptorbindenden Domäne.

    –> rezeptorbindenden

    > […] werden von infizierten Zellen erzeugt und leiten in ihr und im restlichen Körper eine starke Immunreaktion gegen Viren aus.

    –> leiten ein/lösen aus

    > […] [6] […] Ob zum Beispiel der ungetestete russische Impfstoff wirkt, ist komplett unbekannt. Und da Coronavirus-Impfstoffe bekanntermaßen kompliziert sind (und die russische Regierung jetzt für immer und ewig behaupten muss, dass es funktioniert), […]

    –> dass er funktioniert

    p.s.
    > Ich habe meinen Urlaub genutzt, um mir ein bisschen was über DNA- und RNA-Impfstoffe durchzulesen. […]

    Andere verbringen ihren Sommer im Wesentlichen damit, sich in der Aussicht zu langweilen, dass Lars Jaeger bei ihm eingereichte SciLogs-Kommentare irgendwann mal ausgibt; im aktuellen Fall z.B. seit dem 05. Aug 2020.

  2. Zu Fußnote [2] und den Interferonen liesst sich dieses recht interessant:

    https://www.radboudumc.nl/en/news/2020/genetic-mutation-reveals-how-coronavirus-strikes

    >>Van der Made and colleagues have investigated the consequences of improper functioning of the TLR7 receptor. “Once activated, TLR7 triggers the production of so-called interferons, signaling proteins that are essential in the defense against virus infections,” says van der Made. “This immune response is perhaps all the more important in the fight against the SARS-CoV-2 virus, because we know from the literature that the virus has tricks to reduce the production of interferons by immune cells. When we mimic an infection with the coronavirus, we see that immune cells of the patients without properly functioning TLR7 hardly respond, and that minimal amounts of interferons are produced. These tests make it clear that the virus appears to have free rein in people without properly functioning TLR7 because it [the virus] is not recognized by the immune system.”<<

  3. “Zum einen ist es möglich, dass die Impf-DNA ins Erbgut eingebaut wird”

    Quelle? Bei den aktuell bekannten Impfstoffen handelt es sich um RNA Impfstoffe. Ein Einbau der RNA in die DNA erscheint auf Grund der fehlenden Enzymen äußerst unwahrscheinlich und bislang meines Wissens nicht bekannt.

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