Was vor kurzem noch unmöglich schien, ist nun Realität.
Erstaunlicherweise kommen nicht nur ein, sondern gleich zwei COVID-19-Impfstoffe – von Pfizer bzw. Moderna – innerhalb weniger Tage aus der Laborküche. Die neuen Impfstoffe funktionieren auf die gleiche Weise, unterscheiden sich aber etwas von den herkömmlichen, die uns seit langem vor Masern, Gelbfieber, Pocken, Polio und vielen anderen Infektionskrankheiten schützen.
Sie sind die ersten jemals für den klinischen Einsatz zugelassenen Impfstoffe, die ein informationskodierendes Molekül namens RNA verwenden, um eine Immunantwort auf einen mikrobiellen Erreger zu erzeugen. Das ist revolutionär, denn das, worauf das Immunsystem reagiert, ist nicht die RNA, sondern etwas, was die RNA unseren Zellen beibringt, herzustellen.
Um die Magie der neuen Impfstoffe zu verstehen, muss man sich vor Augen führen, wie ältere Impfstoffe eindringende bakterielle und virale Krankheitserreger erkennen, abwehren und zerstören.
Wie herkömmliche Impfstoffe funktionieren
Das Herzstück eines jeden Impfstoffs ist eine Komponente, die als Antigen bezeichnet wird – typischerweise ein Stück eines Proteins, das mit dem des anvisierten Krankheitserregers identisch ist – das das Immunsystem dazu anregen kann, es zu erkennen, sich dann zu sammeln und gegen es vorzugehen.
Wenn eine Impfstoffdosis in den Arm gespritzt wird, erregt sie die Aufmerksamkeit von Wächtern des Immunsystems, die dendritischen Zellen genannt werden, sagt der Impfstoffexperte Bali Pulendran, PhD, von Stanford Medicine. Dendritische Zellen sind im gesamten Körpergewebe verteilt (vor allem unter der Haut und im oder in der Nähe des Muskelgewebes) und warten auf Ärger.
Sobald diese dendritischen Zellen ein Antigen wahrnehmen, das auf einen eingedrungenen Krankheitserreger hindeutet, schlürfen sie es auf, zerkauen es in kleine Stücke, präsentieren diese Leckerbissen auf ihrer Oberfläche wie Schlachttrophäen und machen sich auf den Weg zu den Lymphknoten, den Kasernen des Immunsystems.
Dort alarmieren sie eine Ansammlung verschiedener Immunzelltypen, die einen koordinierten Angriff auf alles starten, was die gleichen Merkmale wie die antigenen Schlachttrophäen besitzt.
Wie sich die neuen RNA-basierten COVID-19-Impfstoffe unterscheiden
Wie unterscheiden sich also die neuen Impfstoffe? Anstelle von Antigen-Nutzlasten tragen sie Kopien des Rezepts zur Herstellung des Antigens in Form von RNA, einem Molekül, das Informationen speichert.
Es ist ein langwieriger Prozess, herauszufinden, welche Mikroumgebung die Antigenität eines proteinbasierten Impfstoffs am besten bewahrt, und ihn dann in hochreiner Form für klinische Studien herzustellen. Die Herstellung von gereinigten RNA-Molekülen, die das Gen eines Pathogens nachahmen, ist dagegen ein Kinderspiel. Es dauerte weniger als ein Jahr, bis ein wirksamer Impfstoff gegen SARS-CoV-2, das Coronavirus, das COVID-19 verursacht, entwickelt und von der Food and Drug Administration für den Notfall zugelassen wurde.
Wie ihr naher Verwandter, die DNA, ist die RNA eine Aneinanderreihung chemischer Einheiten, die, ähnlich wie die Buchstaben des Alphabets, den genetischen Code darstellen, den alle lebenden Zellen als Anleitung für die Produktion ihrer Komponentenproteine verwenden.
Die neu zugelassenen COVID-19-Impfstoffe enthalten unzählige identische RNA-Stränge, die alle den genetischen Code für einen kritischen Abschnitt des Spike-Proteins des Coronavirus enthalten. Dieses Protein ist für das Immunsystem leicht angreifbar, da es sich außen auf der Oberfläche des Virus befindet. Außerdem ist es für das Virus unentbehrlich, da es für den Eintritt in unsere Zellen unbedingt erforderlich ist; das Virus hat also keine Möglichkeit, sein Spike-Protein durch Mutation zu verändern, um der Immunerkennung zu entgehen.
Die RNA-Stränge des Impfstoffs sind in Nanometer großen Fettkügelchen versteckt, was unser Immunsystem davon abhält, auszuflippen und sich archaisch mittelalterlich auf unser Gewebe zu stürzen. (Ihr Immunsystem ist nicht daran gewöhnt, dass RNA außerhalb von Zellen herumschwimmt. Wenn es das tut, ist seine erste Vermutung, dass das fehlplatzierte genetische Material zu einem viralen oder bakteriellen Erreger gehört, und es kann aggressiv und wahllos reagieren.)
Das primäre Ziel für einen RNA-Impfstoff sind, wie bei herkömmlichen Impfstoffen, dendritische Zellen, die, wie Pulendran sagt, „gerne nano-skalige Tröpfchen verschlingen“. Sie transportieren die mit RNA beladenen Fettkügelchen durch ihre äußeren Membranen in das Zytoplasma, die Fabrikhalle der Zelle. Dort angekommen, machen sich die RNA-Stränge auf den Weg zu den Protein produzierenden Kraftwerkzeugen, den Ribosomen, und setzen sich auf diese.
„Die Ribosomen entschlüsseln die codierten Anweisungen der Stränge und produzieren eimerweise neue SARS-CoV-2-Spike-Proteinstücke von großer Reinheit – es ist wie eine zelluläre Proteinfabrik“, sagt Pulendran.
Dendritische Zellen in der Nähe der Einspritzstelle nehmen die Antigen-kodierende RNA auf und können in der Folge selbst massenweise Antigene produzieren. Dies löst einen Effekt aus, der dem traditioneller Impfstoffe ähnelt: Dendritische Zellen, die ihre antigene Trophäe auf ihrer Oberfläche tragen, rasen zu den Lymphknoten, um die dort wartenden Immunzellen zu alarmieren.
Die neu entdeckte Fähigkeit der dendritischen Zellen, das von ihnen selbst produzierte SARS-CoV-2-Antigen zu verwerten, könnte dazu führen, dass Teile des „zerkauten“ Antigens umso häufiger auf der Oberfläche dieser Zellen zu sehen sind. Dies, so Pulendran, könnte die Immunantwort verstärken – und die Wirksamkeit der beiden RNA-basierten COVID-19-Impfstoffe erklären helfen.
Einige Unbekannte
Nicht-immune Zellen, wie jene im Muskel- oder nahegelegenen Fettgewebe – die die in herkömmlichen Impfstoffen enthaltenen Antigene nicht aufgenommen hätten – können prinzipiell RNA aufnehmen; sie tun dies jedoch weit weniger effizient als dendritische Zellen.
Würden Nicht-Immunzellen in der Umgebung die RNA aus dem COVID-19-Impfstoff aufnehmen, würden auch sie das Spike-Protein produzieren. Und auch sie würden einen Teil dieser neu produzierten Proteinstücke in kleine Leckerbissen zerkauen und sie auf ihrer Oberfläche zur Inspektion durch umherwandernde Immunzellen auslegen, die unser Gewebe auf Anzeichen von Eindringlingen untersuchen.
Dies, so Pulendran, könnte die Exposition des Antigens für diese patrouillierenden Inspektoren, die nach eingedrungenen Zellen Ausschau halten, verstärken – zum Beispiel in der Lunge und den oberen Atemwegen, wo SARS-CoV-2 am liebsten Fuß fasst. Das würde die Immunantwort weiter stärken.
Wichtig ist, dass die Gene der Zellen, die die Impfstoff-RNA aufnehmen, nicht verändert werden. Die von einem Impfstoff gelieferte RNA muss nur ins Zytoplasma gelangen und nicht in den Zellkern eindringen, wo sich die Gene befinden, um antigenes Material zu produzieren. Selbst wenn die Impfstoff-RNA in den Zellkern gelangen würde, sind unsere Zellen nicht in der Lage, die RNA in die DNA umzuwandeln, aus der unsere Gene aufgebaut sind.
Auch können sich die von unseren Zellen aufgenommenen Impfstoff-RNA-Moleküle nicht selbst replizieren – unsere menschlichen Zellen haben nicht die Fähigkeit diesen Vorgang durchzuführen.
Während die COVID-19-Impfstoffe nachweislich schwere Krankheiten verhindern, ist ihre Fähigkeit, die Übertragung von Krankheiten zu blockieren, noch unbekannt. Aber, so Pulendran, dieser Vorbehalt gilt für die meisten Impfstoffe, die wir seit Jahren routinemäßig verwenden.
Eine weitere Unbekannte, die Dauerhaftigkeit der Immunität, welche die Impfstoffe verleihen, kann erst im Laufe der Monate und Jahre beurteilt werden.
Autor: Bruce Goldman
Veröffentlicht am 22. Dezember 2020
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