SARS-CoV-2 / COVID-19

Seit Ende 2019 verbreitet sich weltweit ein neuartiges Virus, das Atemwegserkrankungen und Lungenentzündungen auslösen kann. Der Erreger SARS-CoV-2 gehört zur Familie der Coronaviren und ist nah mit dem SARS-Virus verwandt, das im Jahr 2002 eine Pandemie ausgelöst hat. Hier informieren wir Sie laufend über aktuelle Entwicklungen der Forschung und geben Antworten auf die wichtigsten Fragen.

Mit einer Impfung wird das Immunsystem trainiert, Erreger zu erkennen und unschädlich zu machen. Dafür wird der Erreger abgeschwächt, inaktiviert, oder es werden nur einzelne Bestandteile des Erregers verwendet. Dadurch bildet das Immunsystem Antikörper und T-Zellen aus, die den Erreger neutralisieren und infizierte Zellen töten. Im Falle des erneuten Kontakts mit dem Krankheitserreger kann der Körper schnell sein Immungedächtnis abrufen und die Infektion abwehren.

Für einen effektiven Schutz sollten Impfungen mehrere Zelltypen im Immunsystem ansprechen: Antikörper-produzierende B-Zellen und zytotoxische T-Zellen, die infizierte Zellen töten. Einen weiteren Aspekt hebt Prof. Carlos A. Guzmán, Leiter der Abteilung „Vakzinologie und angewandte Mikrobiologie“ am HZI, hervor:

Für eine effektive Impfung muss man parallel T-Helferzellen stimulieren. Nur so bekommt man effektive Antikörper, und es bildet sich ein immunologisches Gedächtnis, das bei einer Infektion die Produktion eben dieser Antikörper hervorruft.

LEITER DER ABTEILUNG VAKZINOLOGIE UND ANGEWANDTE MIKROBIOLOGIE

Bei den meisten Impfstoffen ist für den bestmöglichen Schutz eine Auffrischungsimpfung im Abstand einiger Wochen vorgesehen. Dieser „Booster“ verstärkt und verbessert die Immunreaktion.

Welche Impfstoffe gegen SARS-CoV-2 sind in Europa zugelassen?

Die Strukturen des Erregers, die das Immunsystem erkennt, werden Antigen genannt. Aus der Forschung an den SARS- und MERS-Coronaviren ist bekannt, dass Antikörper, die das Stachel-Protein (Spike-Protein) auf der Virusoberfläche neutralisieren, eine Infektion verhindern. Coronaviren benutzen das Spike-Protein, um an einen Rezeptor auf der Oberfläche der Wirtszelle anzudocken und in die Zelle einzudringen.

Die meisten Impfstoffe gegen SARS-CoV-2 setzen auf das Spike-Protein als Impfantigen. Sie unterscheiden sich in der Art, wie das Spike-Protein in den Körper gelangt.

mRNA-Impfstoffe

Die ersten zwei Impfstoffe gegen SARS-CoV-2, denen die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) eine bedingte Marktzulassung erteilt hat, sind die mRNA-Impfstoffe von BioNTech & Pfizer sowie Moderna. Anders als bei traditionellen Impfstoffen wird bei dieser Technologie das Impfantigen nicht direkt verabreicht. Stattdessen enthält der Impfstoff den Bauplan in Form von Einzelstrang-RNA verpackt in Lipid-Nanopartikeln. Die Bauanleitung in den Corona-Impfstoffen kodiert das Spike-Protein auf der Virus-Oberfläche.

Diese Boten-RNA (englisch: messenger RNA, mRNA) wird im Zytoplasma in Proteine übersetzt. Ein Teil der in Zellen hergestellten Spike-Proteine wird von Antigen-präsentierenden Zellen auf der Zelloberfläche präsentiert und von anderen Immunzellen als fremd erkannt. Dies löst eine Immunreaktion aus, bei der Antikörper und zytotoxische T-Zellen entstehen, die spezifisch gegen das Coronavirus gerichtet sind.

Die Impf-mRNA, Lipid-Nanopartikel und Spike-Proteine werden innerhalb kurzer Zeit vom Körper abgebaut. Die Antikörper und Spike-reaktiven Immunzellen sind jedoch mindestens über mehrere Monate aktiv. Daten über einen längeren Zeitraum liegen bisher nicht vor.

Der RNA-Impfstoff hat kaum eine Chance, unser Genom zu verändern. In extrem wenigen Zelltypen und Situationen (z.B. Keimzellen) gibt es genetische Elemente, die das Enzym Reverse Transkriptase kodieren. 

Prof. Carlos A. Guzmán, Leiter der abteilung Vakzinologie und angewandte Mikrobiologie

Zu Bedenken, dass mRNA-Impfstoffe zu Änderungen des Genoms führen, kommentiert Prof. Carlos A. Guzmán: "Der RNA-Impfstoff hat kaum eine Chance, unser Genom zu verändern. In extrem wenigen Zelltypen und Situationen (z. B. Keimzellen) gibt es genetische Elemente, die das Enzym Reverse Transkriptase kodieren. Dieses Enzym ist in der Lage, mRNA in cDNA umzuschreiben, sodass es zwar theoretisch möglich ist, dass eine von derselben Zelle produzierte mRNA (und davon gibt es hunderttausende) oder von außen eingeführte mRNA in cDNA umgeschrieben werden kann, dieses System arbeitet aber mit einer unglaublich schlechten Effizienz. In den Zellen, in die die mRNA durch eine Impfung gelangt, finden diese Vorgänge hingegen in der Regel nicht statt. Tatsache ist auch, dass die angesprochenen Mechanismen bereits bei Abwesenheit des Impfstoffes stattfinden und ein mRNA-Impfstoff solche Mechanismen nicht beeinflussen kann." 

Wie RNA-Impfungen funktionieren, erklärt auch der „Klar soweit?“-Comic der Helmholtz-Gemeinschaft.

Vektorimpfstoffe

Auch Vektorimpfstoffe enthalten das Spike-Impfantigen nicht als Protein, sondern lediglich die Bauanleitung für das Protein. Anders als bei mRNA-Impfstoffen wird hier ein anderes, abgeschwächtes und harmloses Virus als Transportsystem für die Übertragung der genetischen Information für das Spike-Protein genutzt.

In der EU ist seit Ende Januar der Vektorimpfstoff der University of Oxford und von Astra-Zeneca zugelassen. Diese Hersteller verwenden das abgeschwächte Schimpansen-Adenovirus ChAdOx1. Viren aus der Familie der Adenoviren verursachen meist Erkältungs- oder grippeähnliche Symptome. Das Erbgut des Adenovirus ist so manipuliert, dass sich das Virus nicht mehr vermehren kann.

ChAdOx1 bindet an einen Rezeptor an der Zelloberfläche und dringt so in die Zelle ein. Die Virus-DNA wird im Zellkern abgelesen und als mRNA kopiert. Diese wird außerhalb des Zellkerns in das Spike-Protein übersetzt. Der Prozess der Immunreaktion auf das Spike-Protein läuft nun vergleichbar zu den mRNA-Impfungen ab.

Das Wirkprinzip dieser und weiterer Impfstoffe erklärt The New York Times in dieser Artikelserie: https://www.nytimes.com/interactive/2021/health/how-covid-19-vaccines-work.html

Impfstoffforschung am HZI

Die Abteilung von Prof. Carlos Guzmán erforscht einen Impfstoff gegen SARS-CoV-2, der über die Schleimhäute verabreicht werden kann und einen besseren Schutz gegen eine Infektion und damit auch gegen eine Übertragung des Virus bieten könnte. Anstatt per Spritze in den Oberarm könnte die Impfung also per Nasenspray gegeben werden. Dabei kommt ein am HZI entwickelter Wirkverstärker zum Einsatz. Das Adjuvans c-di-AMP verstärkt die Reaktion des Immunsystems auf den Impfstoff.

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Wie bei den bereits zugelassenen Impfstoffen gegen SARS-CoV-2 dient das Stachel-Protein (Spike-Protein) auf der Virushülle als Antigen, gegen das eine Immunantwort erzeugt wird. Die Forscher:innen setzen auf einen Impfstoff, der ein biotechnologisch hergestelltes Spike-Protein enthält (Subunit-Impfstoff). Diese Art Impfstoffe ist bereits etabliert und kann auch bei immungeschwächten Personen sicher eingesetzt werden.

Zudem suchen die Wissenschaftler:innen mit bioinformatischen Ansätzen nach künstlichen Varianten des Spike-Proteins, die zur Ausbildung von kreuzreaktiven Immunantworten führen. Ziel dieses Projekts ist es, dass die Impfung mit dem synthetischen Spike-Protein auch gegen Varianten von SARS-CoV-2 sowie vor anderen und kommenden Coronaviren schützt.

In Kooperation mit dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung arbeiten HZI-Forscher:innen an verbesserten Methoden zur Inaktivierung von Viren für die Impfstoffforschung. Die Inaktivierung von Viren durch Hitze oder Gamma-Strahlung ist ein traditioneller Ansatz zur Herstellung von Totimpfstoffen. Dabei können jedoch Oberflächen- und Membranstrukturen der Viren beschädigt werden, was sich negativ auf die immunogene Wirkung des Impfstoffs auswirkt. GSI und HZI untersuchen nun, ob Strahlung mit hochenergetischen Schwerionen SARS-CoV-2 unter weitgehender Erhaltung der Virusstrukturen inaktivieren kann.

Im Rahmen der Transvac 2 Initiative (A European Network of Vaccine Research and Development) unterstützt das Team um Prof. Carlos Guzmán darüber hinaus weitere Projekte zur Entwicklung von COVID-19-Impfstoffen, indem sie sowohl akademischen Einrichtungen als auch Biotech-Firmen ihre Dienste zur Erprobung der Impfstoffkandidaten zur Verfügung stellen.

Sicherheit der Corona-Impfstoffe

Wie bei allen Impfungen kann es auch bei den Corona-Impfstoffen kurz nach der Verabreichung zu Impfreaktionen kommen. Diese entstehen durch die Aktivierung des Immunsystems.

"Bei Impfstoffen auf mRNA-Basis oder Vektoren wie Adenoviren hat etwa die Hälfte der Geimpften lokale oder systemische nicht gravierende Nebenwirkungen, wie zum Beispiel Schüttelfrost, Kopfschmerzen, Schlappheit oder Schmerzen an der Einstichstelle. Das ist ein deutlich höherer Anteil als bei vielen etablierten Impfstoffen. Trotzdem sind die Impfstoffe nach allem, was man bisher weiß, so sicher wie auch andere Impfstoffe, und die Risiko-Nutzen-Abwägung stimmt für die Bevölkerungsgruppen, für die die Impfstoffe zugelassen wurden", sagt Prof. Carlos Guzmán.

In Deutschland überwacht das Paul-Ehrlich-Institut die Sicherheit von Impfstoffen. Es sammelt und bewertet Meldungen zu Verdachtsfällen von Nebenwirkungen und veröffentlicht regelmäßig Sicherheitsberichte.

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Impfungen gehören zu den bedeutsamsten medizinischen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts und sind der sicherste Schutz vor vielen Infektionskrankheiten. [weiterlesen]

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