mini|Gegen das Coronavirus kommen neuartige Impfstoffe zum Einsatz. Dieses Video zeigt, wie die Impfung mit einem mRNA-Impfstoff funktioniert.
Ein RNA-Impfstoff oder mRNA-Impfstoff ist ein Impfstoff, dessen Wirkmechanismus auf Messenger-RNA oder modRNANicole Schuster: mRNA-Vakzine – Impfen mit Genen. In: Pharmazeutische Zeitung. Ausgabe 21/2018; auf: pharmazeutische-zeitung.de; abgerufen am 4. Februar 2021. beruht. RNA-Impfstoffe gehören zu den genetischen Impfstoffen, da aus der RNA erst vom Körper des Geimpften das Protein hergestellt wird, welches die gewünschte Immunreaktion auslöst. RNA-Impfstoffe können prinzipiell gegen jedes proteinbasierte Antigen entwickelt werden, da es mittels Translation nach der RNA-Vorlage gebildet wird. Die Antigene sind typischerweise von Viren, Bakterien, Tumoren oder Giftstoffen abgeleitet.
Durch die Verpackung der RNA in Lipid-Nanopartikel wird die Aufnahme in die Zellen der geimpften Person erleichtert.Wie funktionieren mRNA-Impfstoffe und was sind ihre Vorteile? Paul-Ehrlich-Institut, vom 30. Juli 2020; Auf: pei.de, abgerufen am 4. Februar 2021.U. Elia, S. Ramishetti, R. Rosenfeld u. a.: Design of SARS-CoV-2 hFc-Conjugated Receptor-Binding Domain mRNA Vaccine Delivered via Lipid Nanoparticles. In: ACS Nano. 22. Juni 2021, Band 15, Nr. 6, S. 9627–9637, PMID 33480671. Nachdem diese in die Zellflüssigkeit einer Zelle des Patienten gelangt ist, setzt sie eine Translation in Gang, welche erst das gewünschte Protein und danach die dagegen gerichtete Immunreaktion erzeugt; RNA selbst erzeugt jedoch keine Immunreaktion und wird nach kurzer Zeit in der Zelle abgebaut.
Wirksamkeit und Sicherheit von RNA-Impfstoffen wurden seit 2002 in zahlreichen klinischen Studien am Menschen zu verschiedenen Krebsarten und Infektionskrankheiten untersucht. Während der COVID-19-Pandemie wurden erstmals mRNA-Impfstoffe im großen Maßstab erfolgreich eingesetzt.
Geschichte Vorarbeit mRNA wurde erstmals 1961 von Sydney Brenner, François Jacob und Matthew Meselson als Überträger der Information für die Biosynthese eines Proteins beschrieben.S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson: An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis. In: Nature. Band 190, Mai 1961, S. 576–581, doi:10.1038/190576a0, PMID 20446365.Khalid A. Hajj & Kathryn A. Whitehead: Tools for translation: non-viral materials for therapeutic mRNA delivery. In: Nature Reviews Materials (2017), Band 2, Artikelnummer 17056. 1971 injizierten Charles Daniel Lane et al. erfolgreich RNA, welche aus Retikulozyten von Kaninchen präpariert wurden, in Froscheizellen. Das Experiment zeigte, dass die Translationsmaschinere der Froscheizelle mRNA von einem völlig anderen Zelltyp von einer anderen Spezies akzeptiert. Im Jahr 1978 zeigte Giorgos Dimitriadis, dass mRNA in Liposomen von Zellen aufgenommen werden können.G. J. Dimitriadis: Translation of rabbit globin mRNA introduced by liposomes into mouse lymphocytes. In: Nature. Band 274, Nummer 5674, August 1978, S. 923–924; doi:10.1038/274923a0, PMID 683336. Im selben Jahr gelang es Marc Ostro und weiteren Kollegen mRNA in menschliche Zellen zu transportieren. Das erste Einschleusen von mRNA in Zellen mithilfe von kationischen Lipiden als Transfektionsreagenz wurde 1989 von Robert W. Malone vom Salk Institute for Biological Studies in Kalifornien und einigen Kollegen, darunter Philip Felgner, beschrieben.R. W. Malone, P. L. Felgner, I. M. Verma: Cationic liposome-mediated RNA transfection. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 86, Nummer 16, August 1989, S. 6077–6081; doi:10.1073/pnas.86.16.6077, PMID 2762315, .Rein Verbeke, Ine Lentacker, Stefaan C. De Smedt, Heleen Dewitte: Three decades of messenger RNA vaccine development. (PDF) In: Nano Today. 28, 2019, S. 100766; doi:10.1016/j.nantod.2019.100766. Ein Jahr später wurde von J. Wolff, Philip Felgner und Kollegen die Aufnahme von in vitro erzeugter RNA in Zellen ohne Verwendung eines Transfektionsreagenz gezeigt.J. A. Wolff, R. W. Malone, P. Williams, W. Chong, G. Acsadi, A. Jani, P. L. Felgner: Direct gene transfer into mouse muscle in vivo. In: Science. Band 247, Nr. 4949, Teil 1, März 1990, S. 1465–1468; doi:10.1126/science.1690918, PMID 1690918. Das erste RNA-basierte Arzneimittel war Patisiran, das 2018 von der EMA in Europa und von der FDA in den USA zugelassen wurde.P. Löffler: Review: Vaccine Myth-Buster – Cleaning Up With Prejudices and Dangerous Misinformation. In: Frontiers in immunology. Band 12, 2021, S. 663280, doi:10.3389/fimmu.2021.663280, PMID 34177902, .
mRNA-Impfstoffe mRNA-Impfstoff-Versuche bei Tieren RNA wurde erstmals 1993 von Frédéric Martinon, Pierre Meulien und KollegenF. Martinon, S. Krishnan, G. Lenzen, R. Magné, E. Gomard, J. G. Guillet, J. P. Lévy, P. Meulien: Induction of virus-specific cytotoxic T lymphocytes in vivo by liposome-entrapped mRNA. In: European journal of immunology. Band 23, Nr. 7, Juli 1993, S. 1719–1722; doi:10.1002/eji.1830230749, PMID 8325342. und etwas später, 1994, von X. Zhou, Peter Liljeström und Kollegen zur Impfung bei Mäusen beschrieben.X. Zhou, P. Berglund, G. Rhodes, S. E. Parker, M. Jondal, P. Liljeström: Self-replicating Semliki Forest virus RNA as recombinant vaccine. In: Vaccine. Band 12, Nr. 16, Dezember 1994, S. 1510–1514; doi:10.1016/0264-410x(94)90074-4, PMID 7879415. Martinon konnte zeigen, dass durch die Impfung mit einem RNA-Impfstoff eine zelluläre Immunantwort induziert wurde. Im Jahr 1995 beschrieben Robert Conry und Kollegen, dass nach Impfung mit einem RNA-Impfstoff auch eine humorale Immunantwort hervorgerufen wurde.R. M. Conry, A. F. LoBuglio, M. Wright, L. Sumerel, M. J. Pike, F. Johanning, R. Benjamin, D. Lu, D. T. Curiel: Characterization of a messenger RNA polynucleotide vaccine vector. In: Cancer Research. Band 55, Nummer 7, April 1995, S. 1397–1400, PMID 7882341. In den folgenden Jahren wurden verschiedene Applikationsformen untersucht, bei denen die RNA per intramuskulärer, subkutaner, intradermaler, intravenöser, intranodaler, intrasplenaler Injektion (teilweise mit Protamin-Transfektion oder Lipofektion) sowie per Genkanone oder Mikronadelanordnungen in den Organismus eingebracht wurde. Auch wurden RNA-Impfstoffe als Impfstoffe gegen Infektionserreger, als Krebsimpfstoffe und zur Hyposensibilisierung bei manchen Allergien untersucht.
mRNA-Impfstoffe für den Menschen Erste klinischen Studien am Menschen erfolgten 2002 bis 2003 mit ex vivo mit mRNA beladenen dendritischen Zellen zur Krebsimmuntherapie.E. Gilboa, J. Vieweg: Cancer immunotherapy with mRNA-transfected dendritic cells. In: Immunological reviews. Band 199, Juni 2004, S. 251–263, doi:10.1111/j.0105-2896.2004.00139.x, PMID 15233739. 2005 publizierten Katalin Karikó und Drew Weissman die Verwendung von Nukleosid-modifizierter RNA, ohne dass die angeborene Immunantwort (genauer: Toll-like-Rezeptoren 3, 7, 8 sowie MDA-5, NLRP3, RIG-I und NOD2)P. Borah, P. K. Deb, N. A. Al-Shar'i, L. A. Dahabiyeh, K. N. Venugopala, V. Singh, P. Shinu, S. Hussain, S. Deka, B. Chandrasekaran, D. M. Jaradat: Perspectives on RNA Vaccine Candidates for COVID-19. In: Frontiers in Molecular Biosciences. Band 8, 2021, S. 635245, doi:10.3389/fmolb.2021.635245, PMID 33869282, . durch die RNA selbst übermäßig aktiviert wird.K. Karikó, M. Buckstein, H. Ni, D. Weissman: Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA. In: Immunity. Band 23, Nr. 2, August 2005, S. 165–175; doi:10.1016/j.immuni.2005.06.008, PMID 16111635. RNA-Impfstoffe wurden in den Folgejahren sowohl gegen Pathogene als auch zur Verwendung als Krebsimpfstoff untersucht und beschrieben.M. A. McNamara et al.: RNA-Based Vaccines in Cancer Immunotherapy. In: Journal of immunology research. Band 2015, 2015, S. 794528; doi:10.1155/2015/794528, PMID 26665011, . Im Jahr 2017 beschloss die Weltgesundheitsorganisation, RNA-Impfstoffe als neue Wirkstoffklasse aufzunehmen.T. Kramps, K. Elbers: Introduction to RNA Vaccines. In: Methods in molecular biology. Band 1499, 2017, S. 1–11, , PMID 27987140. Diese Technologie bildete die Grundlage für die Entwicklung mRNA-basierter COVID-19-Impfstoffe.
Die COVID-19-Pandemie führte zum Durchbruch der RNA-Impfstoffe, wobei jene von Biontech (mit den leitenden Wissenschaftlern Uğur Şahin und Özlem Türeci mit Katalin Karikó als Beraterin) und Moderna (mit den leitenden Wissenschaftlern Derrick Rossi und Tal Zaks) noch 2020 in den USA für den Notfallgebrauch genehmigt wurden (EUA, „Notfallzulassung“). Ebenfalls früh gestartet waren die Arbeiten bei CureVac (mit Steve Pascolo und Ingmar Hoerr als leitenden Wissenschaftlern), der Impfstoff kam aber im Vergleich zur Konkurrenz zu spät und war auch weniger effektiv. Bei allen beteiligten Firmen waren Vorarbeiten erfolgt, die zunächst andere Ziele hatten, meist die Entwicklung von Krebstherapien. Im Jahr 2020 wurde Tozinameran von Biontech/Pfizer der weltweit erste RNA-Impfstoff, der die Marktreife erreichte und zur Impfung von Menschen zugelassen wurde, gefolgt von mRNA-1273 von Moderna.
Katalin Karikó, Drew Weissman, Philip Felgner, Uğur Şahin, Özlem Türeci und Derrick Rossi erhielten für RNA-Impfstoffe zahlreiche Auszeichnungen, die 2023 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Weissman und Karikó einen Höhepunkt erreichten.
Wirkungsweise mini|hochkant=1.6|Wirkungsweise von der Endozytose bis zur Antigenpräsentation
Beim Einsatz von RNA-Impfstoffen zur Immunisierung gegen virale Infektionskrankheiten wird (anders als bei Totimpfstoffen, die aus nicht mehr reproduktionsfähigem Krankheitserregern bzw. deren Bruchstücke bestehen) nur die mRNA der Antigene mit einem Hilfsstoff (Transfektionsreagenz) in den Organismus eingebracht. Wenn die mRNA-transfizierten Zellen vorübergehend diese Komponente des zu bekämpfenden Virus nach Vorlage der RNA herstellen und präsentieren, lernt die Immunabwehr der Geimpften, das Antigen spezifisch zu erkennen und im Falle einer tatsächlichen Infektion auch vor dem natürlichen Erreger zu schützen. In der Folge wird der Wirt immun.
mRNA ist zu groß (104 bis 106 Da), um durch einfache Diffusion durch die Zellmembran zu gelangen. Zudem ist sie negativ geladen, so dass diese nicht die anionische Doppellipidschicht passieren kann. Nackte mRNA wäre auch ein Ziel diverser Nukleasen und des angeborenen Immunsystems. Daher bedarf es Transfektionsreagenzien, damit die mRNA Zellen transfizieren kann, ohne dass dies Toxizitäten oder eine ungewollte Immunogenität verursacht. Es stehen hierfür Nanopartikel zur Verfügung, die größtenteils entweder auf Lipiden oder Polymeren basieren.
Die Aufnahme des RNA-Lipid-Nanopartikels in die Zelle erfolgt über einen der Wege der Endozytose. Bei der Endozytose wird ein Endosom von der Zelloberfläche eingeschnürt. Das Innere der Endosomen mit dem RNA-Lipid-Nanopartikel wird anschließend angesäuert. Dadurch entstehen am Transfektionsreagenz positive Ladungen, die wiederum negativ geladene Moleküle und Wasser binden. In Folge schwillt vermutlich das Endosom an und reißt stellenweise vorübergehend (Protonenschwamm-Hypothese).D. Pushparajah, S. Jimenez, S. Wong, H. Alattas, N. Nafissi, R. A. Slavcev: Advances in gene-based vaccine platforms to address the COVID-19 pandemic. In: Advanced drug delivery reviews. Band 170, 03 2021, S. 113–141; doi:10.1016/j.addr.2021.01.003, PMID 33422546, . Dabei wird das RNA-Lipid-Nanopartikel ins Zytosol freigesetzt. Am Ribosom wird im Zuge der Translation aus der RNA ein Protein hergestellt, das als Antigen dient.