Obwohl es bei den genbasierten Impfstoffen bisher noch keinen zugelassenen Vertreter gibt, bieten RNA- und DNA-Impfstoffe in einer Pandemiesituation einen großen Vorteil: Da für diese beiden Plattformen keine Bioreaktor-Kulturtechniken erforderlich sind, wie sie beispielsweise für einen inaktivierten Impfstoff benötigt werden, können sie im Labor schnell hergestellt werden. Der Entwicklungsprozess kann so im Falle einer Pandemie beschleunigt werden. Nicht verwunderlich also, dass die meisten Strategien aktuell diese neuartigen Technologien verwenden.

Vektorimpfstoffe

Vektorimpfstoffe wie bspw. AZD1222 (AstraZeneca/University of Oxford) oder Ad5-nCoV (CanSino Biological inc./Beijing Institute of Biotechnology) unterscheiden sich von Nukleinsäure-Impfstoffen darin, dass sie ein Trägervirus verwenden, welches das Genmaterial für ein Impfantigen enthält. Durch den Vektor, bspw. das modifizierte Vaccinia-Virus Ankara (MVA), das Adenovirus Serotyp 26 oder das gentechnisch hergestellte vesikuläre Stomatitis-Virus (rVSV), wird so genetisches Material in die Körperzellen eingeschleust.

Das Virus agiert als Abgabesystem. Wie bei Nukleinsäure-Impfstoffen wird der Körper so angewiesen, das Antigen aus der Bauanleitung zu bilden und eine Immunantwort auszulösen. Man unterscheidet replizierende virale Vektoren von nicht replizierenden viralen Vektoren:

Ein zugelassener Vektor-Impfstoff ist der Ebola-Impfstoff Ervebo (rVSV-ZEBOV), der Ende 2019 die europäische Zulassung durch die Europäische Kommission erhielt. Die in der Entwicklung befindlichen COVID-19-Impfstoffe mit viralen Vektoren verwenden nicht-replizierende virale Vektoren.

Adenovirus (Ad) -Vektoren haben sich in Tiermodellen als vielversprechend erwiesen und werden aktuell auch in zahlreichen klinischen Studien, insbesondere innerhalb der Krebstherapie, eingesetzt. Hierbei codiert der Vektor in Form von rekombinanten Viren, rekombinanter DNA oder rekombinanter mRNA für ein tumorspezifisches Antigen.

Herstellung

Traditionell werden virale Vektoren in Zellen gezüchtet, die an ein Substrat gebunden sind, und nicht in frei schwebenden Zellen – dies ist jedoch in großem Maßstab schwierig. Ein Nachteil der viralen Vektorimpfstoffe ist deshalb die Skalierbarkeit. Derzeit werden Suspensionszelllinien entwickelt, mit denen virale Vektoren in großen Bioreaktoren gezüchtet werden können. Der Zusammenbau des Vektorimpfstoffs ist ebenfalls ein komplexer Prozess, der mehrere Schritte und Komponenten umfasst, von denen jeder das Kontaminationsrisiko erhöht. Daher sind nach jedem Schritt umfangreiche Tests erforderlich, was die Kosten erhöht.

Sicherheit

Eine Herausforderung dieses Impfstoff-Ansatzes besteht darin, dass Menschen zuvor möglicherweise dem Virusvektor ausgesetzt waren und eine Immunantwort gegen diesen ausgelöst wird, wodurch die Wirksamkeit des Impfstoffs verringert werden kann. Eine solche “Anti-Vektor-Immunität” macht es zudem schwierig, eine zweite Dosis des Impfstoffs zu verabreichen.

Bei hoher präexistierender Immunantwort gegen den Impfvektor kann es unter Umständen zu einer verstärkten Infektion in geimpften Personen kommen. Daher kann eine Vektor-spezifische Immunantwort (präexistierend oder durch die Immunisierung induziert) möglicherweise die Sicherheit beeinflussen. Da die genetischen Informationen für das erregerspezifische Antigen in das Genom von DNA-Viren wie beispielsweise Adenoviren eingesetzt werden, könnten virale Integrationsmechanismen zur Aufnahme von DNA in den Zellkern führen.

Forscher der Universitäten von Oxford und Kopenhagen berichten von einer neuen Impfstoffentwicklung gegen das Hepatitis-C-Virus (HCV). Das von ihnen entwickelte Konzept basiert auf der Vektortechnologie. Konkret entwickelte die Gruppe um Ilaria Esposito einen Impfstoffkandidaten für Hepatitis C auf der Grundlage eines viralen Vektors, der für ein Hepatitis-C-Virus-Antigen kodiert, das mit der invarianten Kette (Ii; CD 74) des MHC-II-Komplexes fusioniert ist. Dieses CD-74-Molekül dient in der mit dem Antigen fusionierten Form als Adjuvans, das maßgeblich dazu beiträgt, T-Zellen Impfpeptide zu präsentieren. Die Vakzine wurde präklinisch an Mäusen und in einer Phase-I-Studie an 17 gesunden Freiwilligen getestet. Alle Probanden vertrugen den Impfstoff gut. Zudem entwickelten alle 17 Probanden eine deutlich stärkere T-Zellantwort gegen HCV als eine Kontrollgruppe mit 19 Freiwilligen, die einen HCV-Impfstoff ohne das CD 74-Adjuvans erhalten hatten.

Protein-Untereinheiten-Impfstoffe

Protein-Untereinheiten-Impfstoffe (Subunit-Impfstoffe) verwenden Teile des Erregers, häufig Proteinfragmente, um eine Immunantwort auszulösen. Dies minimiert das Risiko von Nebenwirkungen, bedeutet aber auch, dass die Immunantwort schwächer sein kann. Aus diesem Grund benötigen sie häufig Adjuvantien, um die Immunantwort zu verstärken. Ein Beispiel für einen bereits zugelassenen Untereinheiten-Impfstoff ist der Hepatitis-B-Impfstoff.

Ein Nachteil dieser Impfstoffe besteht darin, dass den Antigenen, die zur Auslösung einer Immunantwort verwendet werden, möglicherweise molekulare Strukturen fehlen, die als pathogenassoziierte molekulare Muster (engl. Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs) bezeichnet werden die charakteristisch für ein breites Spektrum von Mikroorganismen sind und es dem Immunsystem ermöglichen, deren Eindringen zu erkennen. Fehlen diese Muster kann dies zu einer schwächeren Immunantwort führen. Da die Antigene weiterhin keine Zellen infizieren, lösen Impfstoffe gegen Untereinheiten hauptsächlich nur Antikörper-vermittelte Immunantworten aus. Dies bedeutet wiederum, dass die Immunantwort möglicherweise schwächer ist als bei anderen Arten von Impfstoffen.

Herstellung

Alle Untereinheiten-Impfstoffe werden unter Verwendung lebender Organismen wie Bakterien und Hefen hergestellt, für deren Wachstum Substrate und strenge Hygienevorschriften erforderlich sind, um eine Kontamination mit anderen Organismen zu vermeiden. Dies macht ihre Herstellung teurer als chemisch synthetisierte Impfstoffe wie bspw. RNA-Impfstoffe. Die genaue Herstellungsmethode hängt von der Art des Untereinheiten-Impfstoffs ab.

Impfstoffe gegen Proteinuntereinheiten, wie der rekombinante Hepatitis B-Impfstoff, werden durch Einfügen des genetischen Codes für das Antigen in Hefezellen hergestellt, die relativ einfach zu züchten sind und große Mengen an Protein synthetisieren können. Die Hefe wird in großen Gärtanks gezüchtet und dann aufgespalten, so dass das Antigen geerntet werden kann. Dieses gereinigte Protein wird dann anderen Impfstoffkomponenten zugesetzt, z. B. Konservierungsmitteln, um es stabil zu halten, und Adjuvantien, um die Immunantwort zu stärken – in diesem Fall Alaun.

Bei Polysaccharid- oder Konjugat-Impfstoffen wird das Polysaccharid durch Wachstum von Bakterien in industriellen Bioreaktoren hergestellt, bevor diese aufgespalten und das Polysaccharid aus ihren Zellwänden gewonnen werden. Im Fall von Konjugat-Impfstoffen muss das Protein, an welches das Polysaccharid gebunden ist, auch hergestellt werden, indem ein anderer Bakterientyp in separaten Bioreaktoren gezüchtet wird. Sobald seine Proteine geerntet sind, werden sie chemisch an das Polysaccharid gebunden und dann die verbleibenden Impfstoffkomponenten hinzugefügt.

Genbasierte Impfstoffe

Genbasierte Impfstoffe (auch Nukleinsäure-Impfstoffe genannt) verwenden genetisches Material – entweder RNA oder DNA, um den Zellen die Anweisungen zur Herstellung des Antigens zu geben. Im Fall von COVID-19 ist dies normalerweise das virale Spike-Protein. Sobald das genetische Material in menschliche Zellen gelangt, verwendet es die Proteinfabriken der Zellen, um das Antigen herzustellen, das eine Immunantwort auslöst.

Die Vorteile solcher Impfstoffe sind, dass sie einfach herzustellen und dadurch billiger sind. Da das Antigen in unseren eigenen Zellen und in großen Mengen produziert wird, sollte die Immunreaktion stark sein.

Ein Nachteil ist jedoch, dass bisher keine DNA- oder RNA-Impfstoffe für den menschlichen Gebrauch zugelassen wurden. Langzeitdaten fehlen also. Darüber hinaus müssen RNA-Impfstoffe bei extrem kalten Temperaturen von mindestens-70° C aufbewahrt werden. Dies könnte sich für Länder ohne spezielle Kühlgeräte, insbesondere für Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen, als schwierig erweisen.

Herstellung

Sobald das Genom eines Pathogens sequenziert wurde, ist es relativ schnell und einfach einen Impfstoff gegen eines seiner Proteine zu entwickeln. Beispielsweise wurde der RNA-Impfstoff von Moderna gegen COVID-19 bereits innerhalb von zwei Monaten nach der Sequenzierung des SARS-CoV-2-Genoms in klinische Studien aufgenommen. Diese Geschwindigkeit ist besonders wichtig, wenn neu auftretende epidemische, pandemische oder schnell mutierende Krankheitserreger auftreten.

Sowohl DNA- als auch RNA-Impfstoffe sind relativ einfach herzustellen, der Herstellungsprozess unterscheidet sich jedoch geringfügig zwischen ihnen. Sobald die für das Antigen kodierende DNA chemisch synthetisiert wurde, wird sie mit Hilfe spezifischer Enzyme in ein Bakterienplasmid inseriert – ein relativ einfaches Verfahren. Mehrere Kopien des Plasmids werden dann in riesigen Behältern mit sich schnell teilenden Bakterien hergestellt, bevor sie isoliert und gereinigt werden.

RNA-Impfstoffe sind einfacher zu synthetisieren, da dies im Labor erfolgen kann, ohne dass Bakterien oder Zellen erforderlich sind. In beiden Fällen könnten Impfstoffe für verschiedene Antigene in denselben Einrichtungen hergestellt werden, was die Kosten weiter senkt. Dies ist bei den meisten herkömmlichen Impfstoffen nicht möglich.

RNA-Impfstoffe

RNA-Impfstoffe wie bspw. BNT162 (BioNTech/Fosun/Pfizer) und mRNA-1273 (Moderna/NIAID) bestehen in der Regel aus einzelsträngiger messenger Ribonukleinsäure (mRNA), welche die genetische Information für den Aufbau eines Proteins enthält. Im Zytosol wird diese dann von Ribosomen gebunden und die Bildung eines Polypeptids katalysiert. Um die Aufnahme ins Zytosol zu erleichtern, kann die RNA in Impfstoffen beispielsweise in Liposomen oder Lipid-Nanopartikeln (LNP) verpackt sein.Weiterhin werden auch selbstreplizierende oder selbstamplifizierende RNA (saRNA) wie bei BNT162c2 verwendet. Diese codieren sowohl für das entsprechende Antigen (in diesem Fall das Spike-Protein) als auch für Proteine, die die Replikation von RNA-Impfstoffen ermöglichen, sodass die Impfdosis reduziert werden kann. sa-RNA -Impfstoffe stammen von Alphaviren (Positivstrang-RNA-Viren ohne Segmentierung).

Das alphavirale Genom ist in zwei offene Leserahmen (ORFs) unterteilt: Der erste ORF codiert Proteine für die RNA-abhängige RNA-Polymerase (Replikase) und der zweite ORF codiert Strukturproteine. In sa-RNA-Impfstoffkonstrukten wird der ORF, der für virale Strukturproteine kodiert, durch ein Antigen der Wahl ersetzt, während die virale Replikase ein integraler Bestandteil des Impfstoffs bleibt und die intrazelluläre Amplifikation der RNA nach der Immunisierung antreibt.

Sicherheit

RNA-basierte Impfstoffe gelten allgemein als sehr sicher. Da für den Herstellungsprozess von mRNA keine toxischen Chemikalien oder Zellkulturen erforderlich sind, die mit Viren kontaminiert sein könnten. Auch die kurze Herstellungszeit für mRNA bietet nur wenige Möglichkeiten, kontaminierende Mikroorganismen einzuführen.

Weiterhin scheint das theoretische Risiko einer Infektion oder Integration des Vektors in die DNA der Wirtszelle für mRNA sehr gering zu sein, da die mRNA nicht in die Nähe der DNA gelangt, welche sich im Zellkern befindet. Eine DNA-Insertion ist so im Prinzip nicht möglich. Weiterhin wäre für den Einbau das Enzym Reverse Transkriptase nötig, die der Mensch nicht besitzt und die einzelsträngige RNA in doppelsträngige DNA umschreibt. Einige wenige Viren wie bspw. das HI-Virus oder HBV benutzen die Reverse Transkriptase um ihr Genom in DNA umzuschreiben.

Mögliche Sicherheitsbedenken umfassen vor allem lokale und systemische Entzündungen, die Bioverteilung und Persistenz des exprimierten Immunogens, die Stimulation von autoreaktiven Antikörpern und mögliche toxische Wirkungen nicht nativer Nukleotide und Komponenten des Abgabesystems. Ein mögliches Problem könnte sein, dass einige mRNA-basierte Impfstoffplattformen potente Typ-I-Interferonreaktionen induzieren, die nicht nur mit Entzündungen, sondern möglicherweise auch mit Autoimmunität assoziiert sind.

Ein weiteres potenzielles Sicherheitsproblem könnte sich aus dem Vorhandensein von extrazellulärer RNA während der mRNA-Impfung ergeben. Es wurde gezeigt, dass extrazelluläre nackte RNA die Permeabilität dicht gepackter Endothelzellen erhöht und somit zur Bildung von Ödemen beitragen kann.

Eine andere Studie zeigte, dass extrazelluläre RNA die Blutgerinnung und die pathologische Thrombusbildung fördert. Präklinische Studien mit RNA-Impfstoffen gegen SARS und MERS haben Bedenken hinsichtlich einer Verschlimmerung der Lungenerkrankung durch infektionsverstärkende Antikörper offengelegt.