mini|Verschiedene Impfstoffe und Impfvektoren Das Impfstoffdesign (auch Impfstoffentwicklung) beschreibt Verfahren zur gezielten Anpassung von Impfstoffen. Das Impfstoffdesign ist eine Form des rationalen Designs und verwendet teilweise auch Methoden des Proteindesigns und des Vektordesigns.
Eigenschaften Mit einer Impfung soll ein längerfristiger Schutz vor einer Erkrankung und idealerweise eine Minderung der Weitergabe (Transmission) erzielt werden. Die adaptiven Teile des Immunsystems, die eine Form eines immunologischen Gedächtnisses ausbilden, sind bei Säugetieren Antikörper-produzierende B-Zellen, T-Helferzellen und zytotoxische T-Zellen. Für ein Impfstoffdesign müssen zuerst die in einem Impfstoff einzusetzenden Antigene identifiziert werden. Auf einem Antigen befinden sich meistens mehrere Epitope, an die Teile der adaptiven Immunantwort binden können.
Das Impfstoffdesign besteht als evolutive Methode aus einer Identifikation wirksamer Epitope anhand zuvor festgelegter Kriterien (engl. ‚Punkte-Bewertung‘), gefolgt von Methoden zur Optimierung der Immunantwort. Im Gegensatz zur Gentherapie mit viralen Vektoren ist bei einer immunogenen Impfung mit viralen Vektoren ein längerfristiger Verbleib des Vektors im Impfling unerwünscht, da dies zur Ausbildung einer Immuntoleranz führen kann. Impfstoffe können immunogene (z. B. Impfstoffe gegen Pathogene oder Krebsimpfstoffe) oder tolerogene Wirkungen (Hyposensibilisierung, z. B. Glatirameracetat) erzeugen.P. Moingeon, V. Lombardi, N. Saint-Lu, S. Tourdot, V. Bodo, L. Mascarell: Adjuvants and vector systems for allergy vaccines. In: Immunology and Allergy Clinics of North America. 2011, Band 31, Nr. 2, S. 407–419, xii, , PMID 21530828. Entwicklungsparameter umfassen die Identifikation der zu verwendenden Antigene, die Applikationsform, Korrelate eines Impfschutzes, Tiermodelle, Skalierbarkeit, Produktionskapazitäten, das Zielprofil des Endprodukts, Vorhersage der Epidemiologie und die zu impfende Population.E. Prompetchara, C. Ketloy, T. Palaga: Immune responses in COVID-19 and potential vaccines: Lessons learned from SARS and MERS epidemic. In: Asian Pacific journal of allergy and immunology. März 2020, Band 38, Nr. 1, S. 1–9, , PMID 32105090.
Bei attenuierten Viren, viralen Vektoren, DNA- und RNA-Impfstoffen wird der Impfstoff von den Zellen des Impflings hergestellt, mit nativer Konformation und korrekten posttranslationalen Modifikationen, im Gegensatz zu rekombinanten Proteinen, die in Zellkulturen aus anderen Klassen erzeugt wurden. Innerhalb der Zelle erfolgt eine Zerlegung der Antigene im Proteasom, eine Bindung der Fragmente (Peptide) an den Antigenpeptid-Transporter, ein Import des Peptids in das endoplasmatische Retikulum, eine Bindung des Peptids an MHCI und eine Exozytose des Peptid-MHCI-Komplexes an die Zelloberfläche. Dort werden die Peptid-MHCI-Komplexe den Immunzellen präsentiert und führen zu einer Aktivierung der zellulären Immunantwort.G. Ada, I. Ramshaw: DNA vaccination. In: Expert Opinion on Emerging Drugs. 2003, Band 8, Nr. 1, S. 27–35, PMID 14610909.J. C. Nolz, J. T. Harty: Strategies and implications for prime-boost vaccination to generate memory CD8 T cells. In: Advances in Experimental Medicine and Biolog. 2011, Band 780, S. 69–83, , PMID 21842366. Antigene außerhalb der Zelle werden per Endozytose in Endosomen aufgenommen, durch Peptidasen in Peptide zerlegt und dann von MHCII gebunden. Diese Komplexe werden per Exozytose an die Zelloberfläche sezerniert und ebenfalls den Immunzellen präsentiert. Daneben werden Membranproteine direkt auf der Zelloberfläche präsentiert, wo sie für B-Zellen zugänglich sind.
Identifikation Die Epitope können durch zwei verschiedene Strategien charakterisiert werden. Die Epitope können aufgrund empirischer Kenntnisse über die Immunogenität bzw. die Korrelate des Impfschutzes gegen eine Infektion anhand einer vorhergehenden Bestimmung der Immunantwort gegen ein gezieltes Epitop gewählt werden. Alternativ können die Epitope aufgrund der Identifikation der Epitope durch eine Epitopkartierung mit Hilfe von Immunseren und Gedächtniszellen von Rekonvaleszenten ausgewählt werden.
Bewertungen Verschiedene Ergebnisse können als maßgeblich ausgewählt werden, z. B. Induktion eines Titers, Wirksamkeit in einem Neutralisationstest,M. Bonsignori, S. M. Alam, H. X. Liao, L. Verkoczy, G. D. Tomaras, B. F. Haynes, M. A. Moody: HIV-1 antibodies from infection and vaccination: insights for guiding vaccine design. In: Trends in Microbiology. 2012, Band 20, Nr. 11, S. 532–539, , PMID 22981828; . ELISA oder ELISPOT oder durch einen Tierversuch nach Immunisierung und anschließender Infektion (Belastungsversuch, engl. ) mit einer Erfassung des Pathogenitätsindexes und der Letalität. Hierbei können zur Minderung der Anzahl der Versuchsansätze die in-vitro-Methoden als begrenzte Vorschau verwendet werden. Die Überprüfung von Immunogenen erfolgt jedoch anschließend über einen Belastungsversuch, sofern ein Tiermodell der Infektion vorhanden ist. Gelegentlich wird auch ein Hämagglutinationshemmtest oder verschiedene Methoden zur Bestimmung der Zellviabilität antigenbeladener Opferzellen nach Zugabe von Immunzellen verwendet.
Neben den Kriterien zur Wirksamkeit (engl. ) und Effizienz (engl. ) des Impfstoffkandidaten werden auch die Wirksamkeit gegen mehrere Stämme eines Erregers, die Immundominanz, der Vektortyp, die Verabreichungsform, die Biologische Halbwertszeit, die Lagerstabilität, die Kosten, eine Erweiterbarkeit der Produktionskapazität im Epidemiefall, die Depotwirkung, die Dosis, eine Immunmodulation, der protektive Quotient und unerwünschte Arzneimittelwirkungen in eine Bewertung miteinbezogen. Als Ziele der Wirksamkeit können verschiedene Endpunkte herangezogen werden, wie eine Abwesenheit einer Infektion bei Geimpften (sterilisierende Immunität), eine Abwesenheit von Krankheit oder eine Abwesenheit von schweren Krankheitsverläufen. Je schwieriger ein Endpunkt zu erreichen ist, desto geringer ist die Wirksamkeit. Das bedeutet, dass derselbe Impfstoff höhere Werte der Wirksamkeit erreicht, wenn niedrigere Erfolgskriterien verlangt sind.
Korrelate eines ImpfschutzesI. J. Amanna, M. K. Slifka: Contributions of humoral and cellular immunity to vaccine-induced protection in humans. In: Virology. 2011, Band 411, Heft 2, S. 206–215, , PMID 21216425, . Impfstoff Typ Testverfahren Schutz abHepatitis-A-ImpfstoffInaktiviertELISA10 mIU/mLHepatitis-B-ImpfstoffHBsAgELISA10 mIU/mLHPV-ImpfstoffVirus-like particleELISAundefiniertInfluenzaimpfstoffGespalten oder attenuiertHAI1:40 TiterJapanische-Enzephalitis-ImpfstoffInaktiviert oder attenuiertNeutralisation1:10 TiterMasernimpfstoffAttenuiertNeutralisation120–200 mIU/mLMumpsimpfstoffAttenuiertNeutralisation?undefiniertPolioimpfstoffAttenuiert oder inaktiviertNeutralisation1:4 bis 1:8 TiterTetanusimpfstoffInaktiviertNeutralisation0.01 IU/mLTollwutimpfstoffInaktiviertNeutralisation0.5 IU/mLRotavirus-ImpfstoffAttenuiertSerum IgAundefiniertRötelnimpfstoffAttenuiertImmunpräzipitation10–15 mIU/mLPockenimpfstoffAttenuiertNeutralisation1:20 bis 1:32 TiterVaricellaimpfstoffAttenuiertFAMA, gpELISA, T-Zell-Proliferation1:64 Titer, 5 IU/mL, undefiniertFSME-ImpfungInaktiviertNeutralisation125 IU/mLGelbfieberimpfstoffAttenuiertNeutralisation0.7 LNI
Optimierungen Zur Verstärkung einer Immunantwort gibt es verschiedene Strategien wie beispielsweise Wiederholungsimpfungen oder Dosiserhöhungen. Beim Prime-Boost-Verfahren werden mehrere Einzelkomponenten in definierter zeitlicher Abfolge gegeben, um eine additive oder synergistische Wirkung auf das Immunsystem zu erzielen. Man unterscheidet homologe (gleiche Start- und Wiederholungsvakzine) und heterologe (unterschiedliche Start- und Wiederholungvakzine) Prime-Boost-Schemata.Shan Lu: Heterologous Prime-Boost Vaccination. In: Current Opinion in Immunology. Juni 2009, Band 21, Nr. 3, S. 346–351, doi:10.1016/j.coi.2009.05.016. Auch eine Zugabe von Adjuvanzien kann zu einer Steigerung der Immunantwort führen.M. G. Tovey, C. Lallemand: Adjuvant activity of cytokines. In: Methods in Molecular Biology. 2010, Band 626, S. 287–309, , PMID 20099135.G. C. Bowick, A. J. McAuley: Vaccine and adjuvant design for emerging viruses: mutations, deletions, segments and signaling. In: Bioengineered Bugs. 2011, Band 2, Nr. 3, S. 129–135, PMID 21637006, . Der Applikationsort hat einen Einfluss auf den entstehenden Antikörper-Subtyp: im Muskel werden eher IgG gebildet, die systemisch vor Erkrankung schützen, während in den Schleimhäuten eher IgA gebildet werden, welche an den Eintrittspforten vor Ansteckung schützen und so die Transmission mindern.