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Wie eine Impfung funktioniert
2. Juni 2020 COVID-19-Impfstoff Lesezeit 5 min
Die Frage, welche Biotechnologie im Rennen um einen COVID-19-Impfstoff zu einer wirksamen Immunisierung führt, wird maßgeblich darüber entscheiden, wie lange es dauern wird, den Impfstoff in großen Mengen verfügbar zu machen.

Bei einer Impfung wird ein Vakzin mit dem Ziel verabreicht, den Körper dazu zu bringen, eine eigene Immunität aufzubauen. So soll er vor einer übertragbaren Krankheit geschützt werden. Dafür muss er mit Virusbestandteilen in Kontakt kommen.

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Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Impfungen: die aktiven und die passiven.

Aktive Impfungen werden mit Impfstoffen durchgeführt und bringen den Körper dazu, Antikörper zu bilden. Das heißt, der Körper muss aktiv etwas tun.

Bei der passiven Immunisierung werden dem Menschen fertige Antikörper-Präparate verabreicht.

Das Immunsystem reagiert auf aktive Vakzine mit der Bildung von Immunzellen des Typs B, die Antikörper produzieren, und des Typs T, die die Immunantwort verstärken, sowie Gedächtniszellen. Um diese Gedächtniszellen geht es grundsätzlich bei jeder aktiven Immunisierung. Man spielt dem Körper eine Infektion vor, und er soll diese Gedächtniszellen so bilden, als hätte er eine richtige Infektion gehabt. Kommt der Körper zu einem späteren Zeitpunkt mit dem Erreger in Kontakt, ermöglichen noch vorhandene Antikörper und Gedächtniszellen eine rasche Immunantwort und verhindern eine Erkrankung.

SARS-CoV-2 nutzt, nachdem es in den menschlichen Körper eingedrungen ist, den ACE2-Rezeptor, um in Zellen einzudringen. Dort angekommen, setzt es in der Zelle seine RNA frei, um neue Viren zu produzieren, die dann von der Zelle freigelassen werden. Das ist der Zeitpunkt, an dem sich das menschliche Immunsystem einschaltet: Spezielle antigenpräsentierende Zellen umschließen das Virus und aktivieren T-Helferzellen. Diese ermöglichen eine Antwort des Immunsystems: B-Zellen produzieren Antikörper, die das Virus davon abhalten, in Zellen einzudringen, außerdem markieren sie das Virus, um es zur Zerstörung freizugeben. Diese Aufgabe wird von zytotoxischen T-Zellen übernommen.

Der Begriff „Vakzinierung“ von lateinisch vacca (Kuh) stammt übrigens aus dem 18. Jahrhundert. Der englische Landarzt Edward Jenner erkannte, dass an Kuhpocken erkrankte Menschen nicht nur immun gegen Kuhpocken, sondern auch gegen die Pocken waren. Er prägte den Begriff „vaccination“ für die Pockenschutzimpfung. Bis heute werden Impfstoffe als Vakzine bezeichnet.

Heute gibt es verschiedene Formen der Impfungen, die wiederum auf verschiedenen Biotechnologien beruhen.

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Klassische Impfstoffe

Totimpfstoff

Bei einem Totimpfstoff wird das jeweilige Virus abgetötet und dem menschlichen Körper gespritzt. Meistens wird dem Vakzin ein Adjuvans (= ein Hilfsstoff, der keine eigene Wirkung hat, aber die Wirkung des Arzneimittels verstärkt) wie Aluminium hinzugefügt. Das hat die Aufgabe, lokal zusätzliche Entzündungszellen anzulocken, um wie eine Flagge zu wirken. Adjuvanten-Vakzine machen deshalb an der Einstichstelle häufig eine stärkere Beule als andere Impfstoffe, weil sie Entzündungsreaktionen anregen. Diese sind aber gewollt, so wird der Körper darauf aufmerksam gemacht, dass er aktiv werden soll.

Vor allem asiatische Firmen beschreiten auf der Suche nach einem COVID-19-Impfstoff diesen eher traditionellen Weg der Herstellung.

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Lebendimpfstoff

Eine andere Möglichkeit, den Körper kontrolliert mit einem Krankheitserreger in Kontakt zu bringen, ist die Lebendimpfung. Bei dieser Methode werden entweder abgeschwächte („attenuierte“) Viren des gleichen Typs eingesetzt oder die genetische Information der gewünschten Viruskomponenten in einem anderen, lebendigen attenuierten Virus eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Forschung an SARS-CoV-2 üblicherweise um harmlose Adenoviren, die vorwiegend Atemwegserkrankungen auslösen. Abgeschwächte SARS-Cov-2-Viren wären eine Alternative, diese kommt aber momentan nicht zur Anwendung, wohl aus Vorsicht.

Diese Adenoviren werden als sogenannte Vektoren eingesetzt. Vektoren sind in der Medizin ganz allgemein Überträger von Krankheitserregern, sie übertragen Viren vom Wirt zu einem anderen Organismus.

Der Vorteil dieser Methode ist, dass sich das Virus im Körper noch ein wenig verbreitet und vermehrt. So ist man näher dran am regulären Krankheitsgeschehen und dadurch oft immunogener. Der Nachteil solcher Vakzine ist, dass sie schwieriger zu produzieren sind, weil dafür lebendige Viren eingesetzt werden, die aber ungefährlich gemacht werden müssen.

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Die Immunogenität, ist die Eigenschaft eines Stoffes, im Körper eine als Immunantwort bezeichnete Reaktion des Immunsystems auszulösen. Die Immunogenität ist keine feststehende Größe, sondern abhängig vom Immunsystem des Organismus, in dem die betreffende Substanz sich befindet.
Das Ausmaß der Immunogenität eines Stoffes ist von mehreren Faktoren abhängig. Hierzu zählen insbesondere Körperfremdheit, Molekülgröße und chemische Struktur.

Protein-basierte Impfstoffe

Protein-Subunits enthalten keine vollständigen Viren, sondern nur einzelne, charakteristische Proteine des Virus, die eine Immunreaktion auslösen sollen. Ein Infektionsrisiko besteht dabei nicht, aber für eine ausreichende Immunantwort müssen diesen Impfstoffen oft Verstärkersubstanzen (Adjuvantien) hinzugefügt werden, die zu Nebenwirkungen führen können.

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VLP-Impfstoffe

Virus-like particles, kurz VLPs sind virusartige Partikel, die keine Nukleinsäuren enthalten. Ohne Nukleinsäuren können sich die Partikel in den Zielzellen nicht vermehren. VLP-Impfstoffe nutzen keine abgetöteten Viren, sondern kleine Proteinhüllen oder Lipidvesikel, in denen die Zielproteine eingelagert sind, die in Pflanzen- oder Insektenzellen gezüchtet werden. Für das Immunsystem sehen diese Proteinhüllen wie echte Viren aus und lösen dadurch auch eine Immunantwort aus, sie enthalten aber kein Genmaterial des jeweiligen Virus.

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Die innovativste Methode: DNA- und RNA-Impfstoffe

DNA-Impfstoff

Die DNA-Impfung ist eine experimentelle Form der Impfung und eine noch sehr junge Methode. Dabei werden Teilstücke der Desoxyribonukleinsäure (DNA) – ein Biomolekül, das in allen Lebewesen vorkommt und Träger des Erbguts ist – von Viren oder Bakterien direkt in die Zellen des Menschen eingeschleust. Das geschieht mittels Injektion, Impfpflaster oder Genkanone.

Wird die DNA der Krankheitserreger direkt in die menschlichen Zellen eingebracht, stellen diese das Virusprotein selber her.

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RNA-Impfstoffe

Die Ribonukleinsäure (RNA) ist eine Nukleinsäure mit verschiedenen Funktionen, eine wesentliche davon ist die Umsetzung von genetischer Information in Proteine.

Bei RNA-Vakzinen wird mittels biotechnologischer Methoden mRNA (Boten-RNA) in den menschlichen Körper eingeschleust. Die Körperzellen produzieren dann ein Protein, gegen das in weiterer Folge Antikörper gebildet werden. Für den Körper ist es unerheblich, woher das Protein kommt, gegen das er sich wehren soll, also ob es gespritzt oder von körpereigenen Zellen produziert wurde.

Der Vorteil der RNA-Methode ist, dass man relativ schnell große Mengen produzieren könnte. Im Unterschied zur DNA-Methode gilt die RNA-Methode auch als sicherer, weil eine Integration ins Erbgut ausgeschlossen werden kann. Außerdem sind RNA-Impfstoffe besser dosierbar.

Der große Nachteil ist, dass es momentan auf der ganzen Welt kein einziges Vakzin gibt, das mit dieser Technologie zugelassen ist. Das heißt, über diese Methode weiß man noch am wenigsten, es muss erst herausgefunden werden, wie immunogen sie ist und wie gut sie verwendet werden kann. 

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Illustrationen: Lilly Panholzer, Teodoru Badiu | Addendum

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