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Der sicherste Schutz vor vielen Infektionskrankheiten ist eine Impfung. Meist wird der Impfstoff per Spritze verabreicht, doch arbeiten Forscher an Alternativen – etwa an einem Nasenspray oder einer Impfcreme. Das würde nicht nur den unangenehmen Einstich ablösen, sondern sogar die Wirksamkeit steigern.

Impfen mit Nanopartikeln

Thomas Ebensen verabreicht einer Maus über die Schleimhäute einen neuen Impfstoff – beim Menschen könnte dies in Zukunft per Nasenspray erfolgen © Frank Schinski

Impfstoffe enthalten zumeist abgetötete oder abgeschwächte Krankheitserreger und werden den Patienten injiziert. So ist sichergestellt, dass der gesamte Impfstoff auch wirklich im Körper landet. Dort erkennt das Immunsystem die enthaltenen Erreger als gefährliche Fremdkörper und wappnet sich gegen sie. Allerdings hat die Darreichungsform per Spritze auch Nachteile: Sie entspricht nicht dem natürlichen Infektionsweg und so schützt die hervorgerufene Immunantwort nicht in allen Fällen optimal vor dem Krankheitserreger. Außerdem braucht die Impfung geschultes Personal, das es vor allem in weniger entwickelten Ländern schlichtweg nicht überall gibt.

Um weltweit deutlich mehr Menschen impfen zu können, wären Impfstoffe geeigneter, die zum Beispiel als Nasenspray über die Schleimhäute oder per Creme über die Haut verabreicht werden. Sie wären einfacher anzuwenden und hätten zudem den entscheidenden Vorteil, dass sie den natürlichen Infektionsprozess nachahmen. Die meisten Krankheitserreger dringen über die Schleimhäute in den Körper ein. Wenn diese Barrieren jedoch durch einen Impfstoff immunisiert wurden, können sie die Erreger direkt abwehren. So besteht nicht nur ein Schutz vor dem Ausbruch der Krankheit, sondern bereits vor der Infektion. Die Folge: Der Geimpfte wird gar nicht erst mit Erregern besiedelt und kann sie daher auch nicht an seine Mitmenschen weitergeben. Allerdings haben solche nicht-invasiven Impfmethoden den Nachteil, dass nur eine geringe Menge des Impfstoffes zu den Immunzellen gelangt – darunter leidet die Effizienz der Impfung.

Am HIPS hergestellte Nanopartikel © HIPS

„Wir arbeiten daran, Impfstoffe wirksam genug für eine Verabreichung über die Haut oder die Schleimhäute zu machen“, sagt Carlos A. Guzmán, der am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) die Abteilung für Vakzinologie und angewandte Mikrobiologie leitet.

„Die Sicherheit der Patienten steht an erster Stelle, und deshalb geht der Trend immer mehr zu Impfstoffen, die nur noch Bestandteile von Krankheitserregern enthalten.“ Das erhöhe zwar die Sicherheit, verringere aber die Effizienz, denn das Immunsystem stuft die Erregerbestandteile nicht mehr als gefährlich ein. Die Lösung des Problems: biologische Nanopartikel, die Antigene anliefern, und sogenannte Adjuvantien. Diese Hilfsstoffe – wie das aus Bakterien stammende zyklische dimerische Adenosinmonophosphat (c-di-AMP) – können den Impfstoff weiter verstärken, denn auch sie signalisieren dem Immunsystem Gefahr.

"Die Darreichungsform über die Nasenschleimhaut kann die Immunabwehr nicht nur in den Atemwegen, sondern im gesamten Körper aktivieren."

Carlos A. Guzmán

Am HZI steht vor allem die mukosale Impfung im Fokus. Sie zielt auf die Schleimhäute und kann als Nasenspray erfolgen. „Die Darreichungsform über die Nasenschleimhaut kann die Immunabwehr nicht nur in den Atemwegen, sondern im gesamten Körper aktivieren und ließe sich daher vielfältig einsetzen – zum Beispiel gegen respiratorische Krankheitserreger wie Influenzaviren (Grippe) und Pneumokokken (Lungenentzündung), gegen Durchfallerreger wie Salmonellen oder EHEC und sogar gegen HIV oder Humane Papillomviren, die Gebärmutterhalskrebs verursachen“, sagt Guzmán.

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Biologische Nanopartikel fallen dem Immunsystem allein durch ihre Größe auf und erhöhen so die Sichtbarkeit der Erregerbestandteile. Gleichzeitig schützen sie den Impfstoff vor biochemischen Abwehrmaßnahmen des Körpers – wie Enzymen oder pH-Wert-Änderungen. Geeignete Nanopartikel bestehen zum Beispiel aus Milch- und Glycolsäure und werden bereits in der Medizin verwendet. Wissenschaftler am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS), einem Standort des HZI, stellen sie selbst her und arbeiten stetig an ihrer Optimierung. Das Ziel: eine Impfung über die Haut. Bei dieser nicht-invasiven Methode wird der Impfstoff einfach auf die unbehandelte Haut aufgetragen. „Die Nanopartikel dringen über die Haarfollikel in die Haut ein und lösen im Körper eine Immunreaktion aus“, sagt Hanzey Yasar vom HIPS. „Ein solcher Impfstoff wäre sehr einfach zu verabreichen und würde sicherlich von der Bevölkerung gut angenommen werden.“

Da nur wenig Impfstoff in die Haarfollikel gelangt, haben Yasar und ihre Forscherkollegen die Nanopartikel zusätzlich mit einem verstärkenden Adjuvans beladen. Ein Protein diente in ersten Experimenten als Antigen, also als fremde Struktur, gegen die das Immunsystem reagieren sollte. Mit diesem Ansatz ist es gelungen, nur durch das Auftragen auf die Haut eine Immunantwort gegen das Protein auszulösen. „Im nächsten Schritt wollen wir das Protein gegen Nukleinsäuren tauschen, die die Information für ein Antigen tragen. Sie hätten den Vorteil, dass sie sich flexibler auf ein bestimmtes Krankheitsbild anpassen lassen“, sagt Hanzey Yasar. Bevor die neuen Nanopartikel jedoch in die klinische Anwendung gehen können, sind Untersuchungen an unterschiedlichen Tiermodellen notwendig. Daher ist wohl erst in fünf bis zehn Jahren mit einem solchen Impfstoff zu rechnen.

Autoren: Thomas Ebensen und Kai Schulze

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Titelseite des HZI-Mitarbeitermagazins "InFact", Ausgabe 03/2017 © HZI

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