Impfstoffe basierend auf moderner RNA-Technologie

Zwei Covid-19-Impfstoffe wurden von der FDA in den USA und einer von der Regulierungsbehörde für Arzneimittel und Gesundheitsprodukte (Medicines and Healthcare products Regulatory Agency, MHRA) in Großbritannien im Rahmen einer Noftfallbewilligung zugelassen. Sie enthalten eine selbstreplizierende mRNA, die das gesamte Spike (S) -Protein codiert. Das SARS-CoV-2-Virus verwendet dieses Protein, um an ACE-2-Rezeptoren auf den Membranen von Wirtszellen in Nase, Herz und vielen anderen Körperteilen zu binden¹. Beide Impfstoffe erfordern einen Booster-Schuss 30 Tage nach dem ersten. Die mRNA in beiden Impfstoffen hat ein modifiziertes Nukleosid (1-Methylpseudouridin), die die Translation der mRNA in das S-Protein erhöht und dabei hilft, eine schädliche Überaktivierung des angeborenen Immunsystems zu vermeiden. Beide Impfstoffe sind mit Lipidnanopartikeln eingekapselt und waren in klinischen Studien der Phase 2/3 zu über 90% wirksam. Der Moderna-Impfstoff kann bei -20 °C in Gefrierschränken gelagert werden, die in Arztpraxen und Apotheken weit verbreitet sind, wie derzeit verwendete Impfstoffe gegen Windpocken. Es kann auch bis zu 30 Tage im Kühlschrank aufbewahrt werden. Der Impfstoff von Pfizer muss bei -75 °C gelagert werden. Beide Impfstoffe werden bereits in Massenproduktion hergestellt. Hoffentlich werden bis Ende dieses Monats bis zu 40 Millionen Dosen (genug für 20 Millionen Menschen) zur Verteilung bereit sein. Den am stärksten gefährdeten Personen (ältere Menschen und Beschäftigte im Gesundheitswesen) wird Vorrang eingeräumt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Impfstoffkandidaten, die auf verschiedenen Technologien basieren, sicher und wirksam sind - auch bei Menschen über 70. Glücklicherweise gab es keine Fälle von antikörperabhängiger Verstärkung (antibody dependent enhancement, ADE) der Virusinfektiosität oder der Schwere der Symptome dieser klinischen Studien. ADE wurde auch in einem kürzlich zugelassenen monoklonalen Antikörper, Bamlanivimab, nicht beobachtet². Es wurde von der FDA zur Behandlung von Covid-19 zugelassen.

Andere wichtige Impfstoffe verwenden ein abgeschwächtes Erkältungsvirus (Adenovirus), um das S-Protein zu produzieren, das die gewünschte Immunantwort aktiviert. Die Chinesen haben einen solchen Impfstoff (CoronaVac), die seit Monaten an Mitglieder des chinesischen Militärs und andere weitergegeben wird^3,4. In einer kürzlich durchgeführten klinischen Studie⁴ wurde gezeigt, dass sie sicher und wirksam sind⁴. Ein weiterer solcher Impfstoff (Sputnik V) wird in Russland an einige seiner Militärs und die am stärksten exponierten Gruppen (Ärzte, Beschäftigte im Gesundheitswesen, Lehrer und Sozialarbeiter^5,6) verabreicht. Millionen von Dosen sind jetzt verfügbar. Adenovirusvektoren sind für die Induktion einer starken T-Zell-Antwort von herausragender Bedeutung. Sie wurden verwendet, um drei verschiedene Ebola-Impfstoffe herzustellen, die über 60.000 Menschen verabreicht wurden, sowie zwei Krebsmedikamente für über 30.000 Menschen. Der Sputnik V-Impfstoff wird in laufenden klinischen Studien in den USA als Gam-Covid-Vac Lyo bezeichnet⁷. Zwei Versuche werden durchgeführt. In einem von ihnen erhalten die Menschen entweder ein Placebo oder eine Dosis. In der anderen Studie erhalten sie entweder Placebo oder zwei Dosen.

Zwei weitere Impfstoffkandidaten unter Verwendung von Adenovirusvektoren wurden von der Universität Oxford und AstraZeneca (ChAdOx1 nCoV-19 und AZD1222)⁸ und Johnson & Johnson (JNJ-78436735)⁹ entwickelt. Darüber hinaus existieren bereits validierte Verfahren zur sicheren und kostengünstigen Herstellung von Milliarden Dosen dieses Impfstoffs¹⁰. Der Partner der Universität Oxford, AstraZeneca, ist bereit, 2021 drei Milliarden Dosen seines Impfstoffs zu produzieren. Der AZD1222-Impfstoffkandidat erwies sich als 90% wirksam, wenn er als halbe Dosis verabreicht wurde, gefolgt von einer vollen Dosis mindestens sechs Monate später¹¹. Es war zu 62% wirksam, wenn es als zwei volle Dosen verabreicht wurde. Es scheint bei älteren Erwachsenen besser verträglich zu sein als bei jüngeren Erwachsenen und weist nach der zweiten Dosis in allen Altersgruppen (18-55 Jahre, 56-69 Jahre und ≥70 Jahre) eine ähnliche Immunogenität auf. Eine wichtige Einschränkung besteht darin, dass niemand in der Studie erhebliche chronische Krankheiten oder Gebrechlichkeiten hatte¹².

Daher sind verschiedene Arten von Impfstoffen gegen Covid-19 weit verbreitet. Sie können viel wirksamer sein als die saisonalen Grippeimpfstoffe¹³. Die ersten Impfstoffe, die in den USA weit verbreitet sind, verwenden moderne mRNA-Technologie. Diese Technologie hat nicht nur als Impfstoff, sondern auch als Heilmittel für andere Krankheiten ein großes Potenzial. Obwohl Impfstoffe normalerweise als Vorbeugung angesehen werden, können sie auch Krankheiten heilen. Ein Impfstoff ist etwas, das das Immunsystem einer Person dazu anregt, Immunität gegen eine bestimmte Krankheit zu erzeugen und die Person vor dieser Krankheit zu schützen. Beispielsweise produzieren Tumore spezifische Antigene, ähnlich wie Viren und pathogene Organismen. Viele potenzielle Krebsimpfstoffe würden das Immunsystem einer Person stimulieren und es auf das Tumorantigen (TA) abzielen. TAs sind wichtig für die Initiierung, das Fortschreiten und die Metastasierung von Tumoren¹⁴. Sie können tumorassoziierte Antigene (TAAs) und tumorspezifische Antigene (TSAs) umfassen. MRNA-Impfstoffe würden also genetische Informationen liefern, die TAs codieren. Darüber hinaus kann aus den Tumorproben eines Patienten gesammelte mRNA verwendet werden, um patientenspezifische TAs zu finden und zu zielen¹⁵. Ziel ist es, jede einzelne somatische Mutation in der Tumorprobe eines einzelnen Patienten zu identifizieren¹⁶. Dann können Neoepitop-Krebs-Impfstoffe rational entwickelt werden. Therapeutische Krebsimpfstoffe sollten zellvermittelte Immunantworten stimulieren, die in der Lage sind, die Größe und Metastasierung von Tumoren zu beseitigen oder zu verringern. Daher könnten mRNA-Impfstoffe möglicherweise bei Infektionskrankheiten und Krebs eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Impfstoffen, die auf gentechnisch veränderten Viren basieren, ist mRNA nicht infektiös. Es besteht keine Gefahr einer Mutation. Antivirale Immunität ist kein Problem, daher kann sie wiederholt gegeben werden. Schließlich können Millionen von mRNA-Impfstoffen schnell und kostengünstig hergestellt werden. Daher entwickeln Forscher mRNA-Impfstoffe, die viele Arten von Krebs heilen können. Sie können in dendritische Zellen (DZ) eingeführt werden, die aus dem Blut eines Patienten isoliert wurden. Das heißt, die DZ sind Schlüsselaktivatoren für eine ordnungsgemäße Immunantwort. Sie verbinden das angeborene und erworbene Immunsystem und verursachen Reaktionen gegen TAs. Es gibt mehrere klinische Studien mit mRNA-Impfstoffen gegen eine Vielzahl von Tumoren¹⁶.

Einige Krebsimpfstoffe verwenden mRNAs, die die spezifischen TAs eines Patienten codieren, um ihre unreifen DZs zu aktivieren¹⁷. Die DZs werden dann wieder in den Patienten eingebracht, wodurch schützende Immunantworten ausgelöst werden. Mit Hilfe des computergestützten Designs werden neue, wirksamere TAs entdeckt und optimale mRNAs hergestellt. Das heißt, die mRNA codiert nicht nur eine TA, sondern bindet auch nicht translatierte Regionen (untranslated regions, UTRs) an die 5'- und 3'-Enden. Dies maximiert die Translation der mRNA in die gewünschte TA.

Ein TA, der zum Hauptziel für das Design und die Entwicklung von Krebsimpfstoffen wird. Es ist aberrant glykosyliertes Mucin-1 (MUC-1)¹⁸. Es ist ein Transmembranglykoprotein, das sich auf der Oberfläche fast aller Epithelzellen befindet. Es befindet sich auf der apikalen Oberfläche der meisten Drüsenepithelzellen, einschließlich derjenigen der Brustdrüse, der Lunge, der Bauchspeicheldrüse, der Niere, des weiblichen Fortpflanzungstrakts und des Magens. Aberrant glykosyliertes MUC1 ist mit Krebserkrankungen beim Menschen assoziiert. Richtig glykosyliertes MUC1 hilft dabei, eine physikalische Barriere zu bilden, die normales Epithelgewebe schmiert und schützt und die interzelluläre Kommunikation vermittelt. Aberrante Expression von MUC1 tritt jedoch bei Speiseröhren-, Magen-, Brust-, Eierstock- und Blasenkrebs auf. Es ist besonders in Brustkrebszellen prominent. Aberrant glykosyliertes MUC1 ist eine bekannte TSA bei Epithelzelltumoren¹⁸. Es ist ein Ziel in der adoptiven Immuntherapie zur Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs¹⁹.

Zwischen 2007 und 2012 wurden 42 Patienten mit nicht resezierbarem oder rezidivierendem Pankreaskarzinom in der Abteilung für Verdauungschirurgie und Chirurgische Onkologie (Abteilung für Chirurgie II) der Yamaguchi University Graduate School of Medicine¹⁹. Diese Therapie war keine klinische Studie, sondern eine medizinische Behandlung, die vom japanischen Ministerium für Gesundheit, Arbeit und Soziales als fortgeschrittene Gesundheitsversorgung zugelassen wurde. Das Pankreas-Adenokarzinom ist die vierthäufigste Todesursache bei Krebserkrankungen weltweit und weist eine 5-Jahres-Überlebensrate von nur 6% auf. Es wurde noch keine adäquate Therapie für Bauchspeicheldrüsenkrebs gefunden, und die meisten Patienten sterben innerhalb eines Jahres nach der Diagnose. Die Immuntherapie hat einen Vorteil gegenüber Bestrahlung und Chemotherapie. Es wirkt spezifisch gegen den Tumor, ohne das normale Gewebe zu beschädigen. Mucin 1 (MUC1) wird bei Bauchspeicheldrüsenkrebs in unvollständig glykosylierter Form überexprimiert. Zytotoxische T-Lymphozyten (CTLs) erkennen MUC1-Moleküle. Sie können für alle Krebspatienten verwendet werden, die das MUC1-Antigen exprimieren. DZs sind potente Antigen-präsentierende Zellen zur Induktion von Immunantworten. Gemcitabin (GEM), ein Standard-Chemotherapeutikum gegen Bauchspeicheldrüsenkrebs, kann die Reaktion auf einige Impfstoffe verbessern. Die Behandlung mit GEM sensibilisiert humane Pankreaskarzinom-Zelllinien gegen CTL-vermittelte Zerstörung. Um eine effektivere Therapie für Bauchspeicheldrüsenkrebs zu schaffen, wurden reife DZs mit MUC1-mRNA (MUC1-CTLs) transfiziert. Diese CTLs wurden durch Co-Kultur mit einer menschlichen Pankreaskrebs-Zelllinie und dann mit Interleukin-2 induziert. Die Patienten wurden mit GEM behandelt, während MUC1-DZs intradermal injiziert wurden und MUC1-CTLs intravenös verabreicht wurden. Die mediane Überlebenszeit betrug 13,9 Monate. Die 1-Jahres-Überlebensrate betrug 51,1%. Von 42 Patienten hatte ein Patient ein vollständiges Ansprechen (2,4%), drei Patienten hatten ein teilweises Ansprechen (7,1%) und 22 Patienten hatten eine stabile Erkrankung (52,4%)¹⁹.

Auch bei der Behandlung von Lungenkrebs sind Fortschritte zu verzeichnen. Die CureVac AG in Deutschland testete ihre mRNA CV920120. Es basiert auf der RNActive®-Technologie. Seine mRNA codiert fünf Antigene, die für nicht-kleinzelligen Lungenkrebs (non-small cell lung cancer, NSCLC) spezifisch sind. Die ausgewählten Tumorantigene basierten auf ihrer Rolle bei der Verursachung von NSCLC, ihrem Auftreten in malignen Zellen und ihrer Fähigkeit, die Produktion einer geeigneten Immunantwort zu induzieren, der Produktion von CTLs und / oder Antigen-spezifischen Antikörpern. In einer klinischen Phase I / IIa-Studie erhielten Patienten mit NSCLC fünf intradermale Injektionen von CV9201 (400–1600 μg mRNA). Es war sicher und half einigen Patienten, länger als erwartet zu leben. Die 2- und 3-Jahres-Überlebensraten betrugen 26,7% bzw. 20,7%. Die Ergebnisse sollten zu weiteren klinischen Untersuchungen führen²⁰.

Es gibt eine weitere aufregende antivirale Strategie, die auf RNA basiert, die mithilfe der CRISPR-Technologie hergestellt wird. CRISPR ist ein natürlich vorkommender Abwehrmechanismus, mit dem Bakterien verhindern, dass sie mit Viren infiziert werden²¹. Zu diesem Zweck verwenden Bakterien die Teile ihres Genoms, die Basensequenzen enthalten, die viele Male wiederholt werden, wobei zwischen den Wiederholungen eindeutige Sequenzen liegen. Sie werden als "Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats" oder CRISPR bezeichnet. Sie halten Teile des viralen Genoms in der bakteriellen DNA, damit sie Viren erkennen und sich gegen zukünftige Infektionen verteidigen können. Wissenschaftler und Ingenieure haben gelernt, mit CRISPR Gene (DNA) zu bearbeiten und neue Arten von RNA herzustellen, die als CRISPR-RNA oder crRNA bezeichnet werden. CRISPR wird verwendet, um die Tier- und Meeresfrüchteproduktion zu verbessern, bessere Tiermodelle für Krankheiten zu erstellen, bei der Entwicklung verbesserter Impfstoffe und neuer verschreibungspflichtiger Medikamente zu helfen und möglicherweise Malaria auszurotten. Es kann auch auf dem Gebiet der synthetischen Biologie verwendet werden, um völlig neue Organismen herzustellen, und kann möglicherweise ausgestorbene Arten wie das Wollmammut zurückbringen. Es wurde vorausgesagt, dass CRISPR zu einer der Schlüsseltechnologien wird, die Teil der vierten industriellen Revolution sein werden²¹.

Eine neue CRISPR-basierte antivirale Strategie namens PAC-MAN (Prophylaktisches antivirales CRISPR in huMAN-Zellen) zielt auf die mRNA des SARS-CoV-2-Virus ab²². Es wurde verwendet, um CRISPR-RNA (crRNA) herzustellen, die entweder auf das H1N1-Influenzavirus oder auf über 90% von 1087 kürzlich sequenzierten Coronaviren abzielten²². Die PAC-MAN-Technologie wurde mit Bioinformatik kombiniert, um eine mögliche Behandlung für Covid-19 vorzubereiten²³. Zunächst identifizierten sie konservierte Regionen in SARS-CoV-2-RNA. Anschließend entwarfen sie mehrere crRNAs, die auf die verschiedenen Coronaviren abzielten, die bisher identifiziert und sequenziert wurden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass sie zur Behandlung mehrerer Coronaviren angepasst werden kann. Es könnte ein einzelner Cocktail verwendet werden, der verschiedene crRNAs enthält, die auf konservierte Regionen in Coronaviren abzielen. Ihre Computeranalyse sagte voraus, dass nur drei crRNAs ausreichen könnten, um auf die Coronaviren abzuzielen, die SARS, MERS und Covid-19 verursachen. Durch die Verwendung mehrerer crRNAs könnten Mutanten, die entstehen, leicht angegriffen werden. Die PAC-MAN-Technologie kann sogar auf andere Viren angewendet werden, die Tiere wie Fledermäuse infizieren, die eine zukünftige Bedrohung darstellen. PAC-MAN könnte verwendet werden, um mögliche Behandlungen vorzubereiten, bevor eine Pandemie auftreten kann²².

Eine wichtige Frage zu jedem Impfstoff gegen Covid-19 ist, wie lange er wirksam sein wird. Wenn es wie der Grippeimpfstoff (Influenza) ist, ist es nur ein Jahr lang wirksam. Die Immunität nimmt mit der Zeit ab. Das gleiche könnte mit Covid-19 passieren. Obwohl es selten zu sein scheint, bekommen einige Leute Covid-19 zweimal²⁴. Obwohl bereits im April 2020 Berichte über vermutete Wiederinfektionen vorlagen, wurde der erste bestätigte Fall am 24. August 2020 gemeldet. Seitdem wurden mindestens 24 weitere Neuinfektionen bestätigt, aber das ist eine Unterschätzung. Dies ist jedoch nur ein sehr kleiner Teil der fast 70 Millionen Fälle, die weltweit aufgetreten sind. Damit eine erneute Infektion bestätigt werden kann, muss ein Patient zweimal mit mindestens einem symptomfreien Monat dazwischen positiv auf das SARS-CoV-2-Virus getestet worden sein. Ein zweiter Test kann jedoch auch einfach deshalb positiv sein, weil der Patient einen Rest nicht replizierender viraler RNA von seiner ursprünglichen Infektion aufweist. Das heißt, das Virus kann im Darm verweilen und manchmal Durchfall verursachen, aber während des zweiten Tests nicht in der Nasenhöhle auftreten. Es ist daher wichtig zu betonen, dass asymptomatische Menschen das Virus haben und es verbreiten können. In der Tat sind asymptomatische Menschen Hauptverbreiter von Covid-19. Daher möchten die meisten wissenschaftlichen Zeitschriften zwei vollständige Virussequenzen (von der ersten und der zweiten Krankheit) sehen, die ausreichend unterschiedlich sind. Bisher gibt es keine Hinweise darauf, dass Mutationen aufgetreten sind, die das Virus pathogener machen oder dem Virus helfen könnten, sich der Immunität zu entziehen. SARS-CoV-2 kann im Darm monatelang bestehen bleiben. Anhaltende Infektionen können helfen, die außerordentlich lang anhaltenden Symptome zu erklären, von denen einige Covid-19-Überlebende betroffen sind²⁴.

Politische, wirtschaftliche und soziale Faktoren

Impfstoffe allein werden die Covid-19-Pandemie in den USA nicht beenden, selbst wenn sie sicher, wirksam und weit verbreitet sind. Covid-19 ist keine einfache Infektionskrankheit. Es bewegt sich leicht durch unsere Gesellschaft^25-26. Covid-19 gruppiert mit bereits bestehenden Erkrankungen wie Bluthochdruck, Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Atemwegserkrankungen und Fettleibigkeit. Dies ist auf systemischen Rassismus und Misstrauen gegenüber der Wissenschaft zurückzuführen, die von unserer Führung und einem fragmentierten Gesundheitssystem ausgehen. Zu den wesentlichen, aber unterbezahlten Arbeitnehmern zählen viele Afroamerikaner, Asiaten, Einwanderer und ethnische Minderheiten. Einige von ihnen werden als wesentlich angesehen, da sie in Schlachthöfen und Fleischverpackungsbetrieben arbeiten. Gleichzeitig ist eine Wirtschaftskrise aufgetreten. Wir müssen tiefgreifende Unterschiede bei den wirtschaftlichen Möglichkeiten, dem Zugang zu gesunden Lebensmitteln und einer guten Bildung beseitigen. Im Gegensatz dazu waren die politische Führung und die kommunale Verantwortung der neuseeländischen Bevölkerung vorbildlich. Covid-19 muss kein so großes Problem sein wie in den meisten reichen Ländern^25,26.

Glossar der Begriffe

ACE-2-Rezeptor: Angiotensin umwandelndes Enzym-2, das den Blutdruck senkt. Es ist ein Rezeptor, der an menschliche Zellmembranen gebunden ist. Das SARS-CoV-2-Virus, das Covid-19 verursacht, infiziert menschliche Zellen durch Bindung an ACE-2-Rezeptoren.
Antikörper: Proteine, die von Immunzellen hergestellt werden, die an Antigene eines Pathogens binden (wie das Spike-Protein im SARS-CoV-2-Virus).
Antigene: Teile eines Pathogens (wie das Spike-Protein im SARS-CoV-2-Virus), das die Produktion von Antikörpern in einer Wirtszelle induziert.
Epitop: Der Teil eines Antigens, der an einen Antikörper bindet und so das Immunsystem aktiviert. Es ist auch als antigene Determinante bekannt.
mRNA: Messenger-RNA, die in Proteine übersetzt wird.
Neoepitop: Ein neues Epitop, das auf der Oberfläche einer Krebszelle erscheint.
RNA: Ribonukleinsäure (es gibt viele Arten, wie mRNA, tRNA, rRNA, lncRNA, microRNA, piRNA, pri-RNA, Prä-miRNA, miRNA, shRNA, siRNA, snoRNA).
Polymerasekettenreaktion (PCR): Eine Möglichkeit, DNA mithilfe einer Kettenreaktion, die durch eine DNA-Polymerase katalysiert wird, zu amplifizieren (viele Kopien anzufertigen).
T-Zellen: Immunzellen aus der Thymusdrüse. Bei der Entwicklung der Immunität behält der Körper einige T-Zellen bei, die als Gedächtniszellen bezeichnet werden. Wenn dieselbe Person später im Leben erneut demselben Infektionserreger ausgesetzt wird, identifizieren die Gedächtnis-T-Zellen diesen und stimulieren B-Zellen, Antikörper zu produzieren, um das Virus oder einen anderen Infektionserreger anzugreifen und zu eliminieren.
Transkription: Der Prozess der Transkription eines DNA-Stücks in ein mRNA-Molekül.