RNA-Impfstoff

Ein RNA-Impfstoff oder mRNA-Impfstoff (auch RNS-Impfstoff) ist ein Impfstoff, dessen Wirkmechanismus auf Ribonukleinsäure (als Wirkstoff meistens Messenger-RNA, deutsch Boten-RNS) oder modRNA beruht. RNA-Impfstoffe gehören zu den genetischen Impfstoffen, da aus der RNA ein Protein hergestellt wird, das eine Immunreaktion auslöst. RNA-Impfstoffe können gegen alle proteinbasierten Antigene entwickelt werden, da nach der Impfung das Antigen mittels Translation im Körper des Geimpften nach der RNA-Vorlage gebildet wird. Die Proteine können beispielsweise von Viren, Bakterien oder Tumoren (Tumorantigen) abgeleitet sein.

Gegen das Coronavirus kommen neuartige Impfstoffe zum Einsatz. Dieses Video zeigt, wie die Impfung mit einem mRNA-Impfstoff funktioniert.

Durch die Verpackung der RNA in Lipid-Nanopartikel wird die Aufnahme in die Zellen der geimpften Person erleichtert. 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; die RNA des Impfstoffes selbst erzeugt jedoch keine adaptive Immunantwort und wird nach kurzer Zeit in der Zelle wieder abgebaut.

Am 2. Dezember 2020 wurde während der COVID-19-Pandemie weltweit erstmals ein mRNA-Impfstoff durch eine staatliche Regulierungsbehörde zugelassen: Die britische Zulassungsbehörde MHRA verkündete die Notzulassung für den von den Pharmaunternehmen BioNTech und Pfizer entwickelten COVID-19-Impfstoff Tozinameran (Handelsname Comirnaty). Es folgten Zulassungen in weiteren Ländern (siehe zugelassene Impfstoffe).

Wirksamkeit und Sicherheit von RNA-Impfstoffen werden seit 2002 in klinischen Studien am Menschen, auch in anderen Anwendungsgebieten als COVID-19 (verschiedene Krebsarten und Infektionskrankheiten), untersucht. Es ist eine große Zahl präklinischer Daten verfügbar.

Geschichte

Vorarbeit

mRNA wurde erstmals 1961 von Sydney Brenner, François Jacob und Matthew Meselson als Überträger der Information für die Biosynthese eines Proteins beschrieben. 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. 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. 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. Das erste RNA-basierte Arzneimittel war Patisiran, das 2018 von der EMA in Europa und von der FDA in den USA zugelassen wurde.

mRNA-Impfstoffe

mRNA-Impfstoff-Versuche bei Tieren

RNA wurde erstmals 1993 von Frédéric Martinon, Pierre Meulien und Kollegen und etwas später, 1994, von X. Zhou, Peter Liljeström und Kollegen zur Impfung bei Mäusen beschrieben. 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. 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. 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) durch die RNA selbst übermäßig aktiviert wird. RNA-Impfstoffe wurden in den Folgejahren sowohl gegen Pathogene als auch zur Verwendung als Krebsimpfstoff untersucht und beschrieben. Im Jahr 2017 beschloss die Weltgesundheitsorganisation, RNA-Impfstoffe als neue Wirkstoffklasse aufzunehmen. 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 2021 den Prinzessin-von-Asturien-Preis und Karikó und Weissman für 2022 den Breakthrough Prize in Life Sciences und den Lasker~DeBakey Clinical Medical Research Award. Ebenfalls 2021 erhielt das Biontech-Team Katalin Karikó, Özlem Türeci und Uğur Şahin den Paul-Ehrlich-und-Ludwig-Darmstaedter-Preis und (mit Christoph Huber) den Deutschen Zukunftspreis.

Wirkungsweise

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). 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.

Nach der Herstellung des Antigens im Zytosol der Zelle (ribosomale Proteinbiosynthese der applizierten mRNA) erfolgt zunächst eine Zerlegung durch proteinabbauende Enzyme (Proteasen; hier konkret durch das Proteasom) und anschließend ein Export der Proteinfragmente (Peptide) ins Endoplasmatische Retikulum über den Antigenpeptid-Transporter. Dort binden die Peptide an MHC-Komplexe und werden an die Zelloberfläche sezerniert zur Präsentation der Epitope des Antigens. Die Präsentation am Haupthistokompatibilitätskomplex MHC I erzeugt eine zelluläre Immunantwort, bei der zytotoxische T-Zellen gegen das Spike-Glykoprotein gebildet werden. Auf dem MHC II hingegen werden nur Epitope von Antigenen präsentiert, die durch Endozytose von außerhalb der Zelle aufgenommen und durch Proteasen zerlegt worden sind. Die MHC-II-Präsentation der Epitope erzeugt eine humorale Immunantwort. Wenn als Antigen ein Membranprotein verwendet wird, erfolgt zusätzlich eine Präsentation des Membranproteins in voller Länge auf der Zellmembran, wodurch Antikörper an den Anteil auf der Zelloberfläche binden können.

Aufbau eines mRNA-Impfstoffs

Je langsamer eine mRNA in der Zelle abgebaut wird, desto häufiger kann sie translatiert werden und desto mehr Protein entsteht aus dieser mRNA-Vorlage. Die biologische Halbwertszeit der mRNA kann sehr verschieden sein und liegt je nach mRNA zwischen Minuten (beispielsweise bei vielen regulatorischen Proteinen) und einigen Stunden. Eine Cap-Struktur am 5'-Ende der mRNA und eine untranslatierte Region (UTR) jeweils am 5'- und 3'-Ende erhöht die biologische Halbwertszeit der mRNA, bevor sie durch zytosolische Exoribonukleasen abgebaut wird, wodurch mehr Antigen gebildet wird. Außerdem kann die Struktur der mRNA durch den Einbau von ungewöhnlichen Nukleosiden so modifiziert werden, dass sie nicht vom angeborenen Immunsystem erkannt wird. Eine derartige nukleosid-modifizierte mRNA (modRNA) wird zum Beispiel in RNA-basierten COVID-19-Impfstoffen verwendet. Zur Verstärkung der Immunantwort können Adjuvantien verwendet werden. RNA-Impfstoffe (Vakzine) sind wirksamer, wenn sie in eine kationische ­Nanoemulsion (Emulsionen mit einem Tröpfchendurchmesser unterhalb von 100 Nanometern) formuliert sind und ein Adjuvans wie MF59 oder TriMix (mRNA von CD40L, CD70 und caTLR-4) enthalten.

Eine begrenzte Verlängerung der biologischen Halbwertszeit und somit eine Erhöhung der Antigenerzeugung wird durch replizierbare mRNA (self-amplifying mRNA, samRNA) erreicht, die für das Antigen und zusätzlich für eine RNA-Replikase codiert: also für ein Enzym, das diese RNA kopiert. Die samRNA fungiert als Sensor und Stimulator für ihre eigene Genexpression, die eine aktive Rolle bei der spezifischen positiven Rückkopplungsregulation der Genexpression spielt. Dadurch kann die zur Impfung verwendete RNA-Menge bei gleicher Impfwirkung gemindert werden, da 50 ng RNA für eine Impfwirkung als ausreichend beschrieben wurden. Da samRNA deutlich größer als eine mRNA ist, die nur für das Antigen kodiert, dürfte der Mechanismus der Aufnahme in die Zelle ein anderer sein.

Herstellung

Die Herstellung erfolgt meistens per In-vitro-Transkription. Oftmals wird Nukleosid-modifizierte mRNA hergestellt, um überschießende Impfreaktionen zu vermeiden. Die RNA trägt eine Cap-Struktur und einen Poly-A-Schwanz zur Verlangsamung des Abbaus der RNA. Es werden zusätzlich in der RNA bestimmte 5' und 3'-UTR verwendet, um den Abbau der RNA weiter zu verlangsamen. Qualitätskriterien der erzeugten RNA sind unter anderem Stabilität, Unversehrtheit, Identität, Reinheit und Homogenität.

Um die RNA in die Zelle einzuschleusen, wird sie mit einem Transfektionsreagenz injiziert, elektroporiert, per Genkanone verabreicht, oder die Impfung erfolgt ex vivo mit anschließendem adoptivem Zelltransfer. Als Transfektionsreagenz werden basische Lipide in Liposomen (damit entstehen Lipid-Nanopartikel, LNP), zellpenetrierende Peptide, Proteine, Protamin, kationische Polymere oder Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 80 nm verwendet (AuNPs).

Beim RNA-Impfstoff mRNA-1273 wird als kationisches Lipid SM-102 verwendet, während bei Tozinameran ALC-0315 zum Einsatz kommt. Daneben werden noch neutrale Lipide (Helferlipide) verwendet, um die Liposomen zu stabilisieren (bei Tozinameran u. a. ALC-0159), und Puffersubstanzen, um den pH-Wert zu stabilisieren. Durch die positiv geladenen Nanopartikel wird RNA nach Injektion in vivo von Zellen aufgenommen, daneben wird der Abbau der RNA durch Transfektionsreagenzien verlangsamt. Die Aufnahme der RNA in die Zelle erfolgt bei der Transfektion durch rezeptorvermittelte Endozytose. Es gibt zumindest bei DNA (bei der die gleichen Methoden wie bei RNA angewendet werden und die über die gleichen Mechanismen von Zellen aufgenommen wird) allerdings nur eine schwache Korrelation zwischen der Aufnahme in Zellkultur und in vivo und keine Korrelation zwischen der Aufnahme in Zellkultur und der Impfwirkung. Das bedeutet, dass die Impfwirkung frühestens ab der Phase der präklinischen Studien abgeschätzt werden kann, da erst dann eine Impfwirkung gemessen werden kann. Beide Impfstoffe enthalten Saccharose als Frostschutzmittel, um entstehende Eiskristalle beim Einfrieren klein zu halten und so Scherkräfte durch größere Eiskristalle zu vermeiden, welche die RNA fragmentieren können. Die regulatorischen Anforderungen der Europäischen Union zur Herstellung von RNA-Impfstoffen wurden 2017 publiziert.

Hürden bei der Impfstoffentwicklung

Ein Problem bei der Entwicklung von RNA-Impfstoffen ist, dass die RNA über die Aktivierung der angeborenen Immunantwort eine übermäßige Immunreaktion auslösen kann. Die Aktivierung der angeborenen Immunantwort erfolgt durch Bindung der RNA an Toll-like-Rezeptoren (darunter TLR 7), RIG-I und Proteinkinase R. Um eine übermäßige Immunreaktion gegen die RNA zu minimieren, sollen die mRNA-Impfstoffsequenzen diejenigen nachahmen, die von Säugetierzellen produziert werden. Daneben kann eine Immunreaktion gegen die RNA durch modifizierte Nukleoside (Pseudouridin, N1-Methylpseudouridin, 5-Methylcytidin, 2′-O-methylierte Nukleoside) oder durch Codon-Optimierung und Verwendung bestimmter untranslatierter Regionen (einem Randbereich der mRNA, der nicht für das eigentliche Protein codiert) gemindert werden, wodurch auch ein Abbau der RNA verlangsamt wird. Weiterhin können abgebrochene Transkripte und RNA-Interferenz gegen doppelsträngige Bruchstücke der mRNA, die zum vorzeitigen Abbau der mRNA führt, die Wirkdauer mindern. Daher ist eine mehrstufige RNA-Reinigung notwendig, um möglichst saubere, einzelsträngige mRNA in gewünschter Länge zu erhalten. Unerwünschte doppelsträngige RNA kann vergleichsweise kostengünstig durch Adsorption an Cellulose entfernt werden. Bestimmte Aufreinigungstechniken etwa durch Fast Protein Liquid Chromatography (FPLC) steigern die Translation und somit die Wirksamkeit. Der größte Anteil an RNA, der in Endosomen von Zellen aufgenommen wird, kommt vermutlich nicht im Zytosol an und kann dort nicht wirken, sondern wird abgebaut. Daher soll die Transfektionseffizienz gesteigert werden, um weniger RNA in einer Impfdosis verwenden zu müssen. Extrazelluläre RNA ist als prokoagulatorischer und permeabilitätsteigernder Faktor bekannt. Eine gesteigerte Permeabilität von Endothelzellen kann zu Ödemen führen, und eine Anregung der Blutgerinnung birgt die Gefahr der Thrombenbildung.

Vergleich mit anderen Impfstofftypen

Im Gegensatz zu DNA-Impfstoffen werden RNA-Impfstoffe nicht in den Zellkern transportiert und sind nicht vom Import in den Zellkern und von der Transkription abhängig. Es besteht im Gegensatz zu DNA-Impfstoffen auch keine Gefahr einer Insertion in die genomische DNA oder Hinweise auf Erbgutschädigungen, hierfür wären zwei zusätzliche Enzyme nötig, die in menschlichen Zellen nicht vorkommen. Im Gegensatz zu einer Gentherapie kommt es daher nicht zu einer Veränderung der DNA in den Körperzellen. mRNA hat eine vergleichsweise kurze biologische Halbwertszeit. Ein dauerhafter Verbleib in der Zelle ist damit ausgeschlossen, zumal diese im Zuge der Immunantwort durch cytotoxische T-Zellen ohnehin zerstört wird. RNA ist im Vergleich zu DNA relativ empfindlich für abbauende Enzyme (bei RNA sind das RNasen), die ubiquitär vorkommen. RNA ist kostenintensiver herzustellen als Plasmid-DNA. Bei viralen Vektoren, DNA-, RNA- und Untereinheitenimpfstoffen wird kein vollständiger Erreger zur Produktion verwendet, wodurch für die Produktionsstätte keine zusätzliche Zulassung notwendig ist, in Deutschland nach dem Infektionsschutzgesetz und der Biostoffverordnung. Die Herstellung von RNA-Impfstoffen per In-vitro-Transkription erfolgt zudem ohne eine Verwendung lebender Zellen (zellfreie Produktion).

Im Gegensatz zu attenuierten (aus in ihrer Wirkung abgeschwächten Erregern bestehenden) Impfstoffen kann keine Reversion (Rückmutation) zu einem Pathogen auftreten, da nur einzelne Bestandteile eines Pathogens verwendet werden. Des Weiteren können RNA-Impfstoffe vergleichsweise schnell in großen Mengen produziert werden und die Produktion gilt als relativ kostengünstig. Im Vergleich zu viralen Vektoren erzeugt RNA (wie DNA) keine Vektorimmunität, da RNA-Lipid-Nanopartikel keine Proteine aufweisen, die sonst bei viralen Vektoren und ihrer erneuten Anwendung zu einem vorzeitigen Abbau eines Anteils der viralen Vektoren führen. Im Gegensatz zu älteren Impfstofftypen wie Totimpfstoffe, Untereinheitenimpfstoffe und Peptidimpfstoffe wird bei genetischen Impfstoffen (DNA-Impfstoffe, RNA-Impfstoffe oder virale Vektorimpfstoffe) das Antigen im Zytosol erzeugt, wodurch nicht nur eine humorale, sondern auch eine zelluläre Immunantwort ausgelöst wird.

Die im Vergleich zu anderen Impfstofftypen stärkeren Nebenwirkungen der RNA-Impfstoffe werden im Wesentlichen auf Verunreinigungen zurückgeführt, die aus dem Herstellungsverfahren herrühren und die man vermutlich nicht ganz verhindern kann. Insoweit besteht das Ziel darin, diese immer weiter zu verringern, um die Impfstoffe verträglicher zu machen.

Vertreter

COVID-19

Zu einer Darstellung aller COVID-19-Impfstoff-Kandidaten, auch derjenigen, die keine RNA-Impfstoffe sind, siehe SARS-CoV-2-Impfstoffkandidaten.

Verschiedene RNA-Impfstoffe sind Impfstoffkandidaten bei der Entwicklung eines Coronavirusimpfstoffs, speziell seit Ende 2019 eines COVID-19-Impfstoffes. Als eine Herausforderung wird die Logistik für diese Art Impfstoffe angesehen, die teils tiefgekühlt bei Temperaturen unterhalb von −70 °C gelagert und transportiert werden müssen.

BNT162

Am 22. April 2020 wurden vom Paul-Ehrlich-Institut und der Ethik-Kommission der Landesärztekammer Baden-Württemberg erstmals in Deutschland eine klinische Studie für einen solchen Impfstoff genehmigt, es handelt sich um den Kandidaten BNT162 der deutschen Biotech-Firma Biontech und ihres US-Partners Pfizer. Die mRNA-Formate sind die Uridin-haltige mRNA (uRNA), nukleosid-modifizierte mRNA (modRNA) und selbstamplifizierende mRNA (saRNA) mit hoher Immunogenität. Als mRNA-Transfektionsreagenz werden Lipidnanopartikel (LNPs) verwendet. Diese LNPs sind nach Injektion stabil und können zusammen mit der mRNA in Zellen eindringen. Sie erzeugen eine starke Antikörperantwort und starke T-Zell-Antwort (CD8, CD4).

Am 29. April 2020 begann die klinische Prüfung mit einer Phase-I-Studie bei Biontech. Von 20 Impfstoffvarianten wurden die vier meistversprechenden Kandidaten ausgesucht. Sie tragen die Unterbezeichnungen a1, b1, b2, c2. Sie sollten weiter an Studienteilnehmern getestet werden – auch an Risikopatienten. Vorgesehen waren die Altersgruppen 18 bis 55 Jahre, 65 bis 85 Jahre und 18 bis 85 Jahre. Geplant waren die Phasen wie folgt; Phase I: Identifizierung der bevorzugten Impfstoffkandidaten, Dosisstufe (n), Anzahl der Dosen und Verabreichungsplan (wobei die ersten 15 Teilnehmer bei jeder Dosisstufe jedes Impfstoffkandidaten eine Sentinel-Kohorte umfassen); Phase II: eine erweiterte Kohortenstufe; und Phase III; ein Endkandidat-/Dosis-Großstadium.

• BNT162b1 (Abdavomeran)

• BNT162b2 (Tozinameran)

mRNA-1273 (Elasomeran)

→ Hauptartikel: mRNA-1273

mRNA-1273 ist ein Impfstoff der Firma Moderna. Eine Phase-3-Studie mit 30.000 Probanden und Dosierungen zwischen 25 µg und 100 µg wurde ab Juli 2020 in den USA durchgeführt. In der EU wurde im Januar 2021 die Zulassung erteilt (Handelsname Spikevax).

CVnCoV (Zorecimeran)

CVnCoV ist ein Impfstoffkandidat von Curevac, der ab Dezember 2020 in einer kombinierten Phase-2b/3-Studie mit mehr als 36.500 Probanden erprobt wurde. Die Entwicklung wurde im Oktober 2021 eingestellt.

DS-5670 (Ufrenmeran)

Die von Daiichi Sankyō und der Universität Tokio entwickelte mRNA DS-5670 codiert für die codonoptimierte Rezeptorbindungsdomäne (RBD) von Sars-CoV-2 und wird als Fusionsprotein mit dem Signalpeptid des S-Glykoproteins exprimiert. In der 1022 Nukleotide umfassenden mRNA sind die Basen Uridin und Cytidin jeweils durch die methylsubsituierten Analoga (5-Methyluridin und 5-Methylcytidin) ersetzt. Sie wurde im August 2023 in Japan unter dem Namen Daichirona zur Booster-Impfung gegen COVID-19 zugelassen, wird jedoch in der Form, die sich nur gegen den Sars-CoV-2-Wildtyp richtet, vermutlich nicht mehr zum Einsatz kommen.

samRNA

Verschiedene Entwicklungen werden mit selbstamplifizierender RNA betrieben.

Im Vereinigten Königreich begann das Imperial College London im Juni 2020 mit der Studie zu einer Lipidnanopartikelformulierung (lipid nanoparticle, LNP) von saRNA (LNP-nCoVsaRNA), die unter der Bezeichnung COVAC1 läuft. Unterstützt wird die Studie unter anderem vom Medical Research Council und dem National Institute for Health Research.

Ein Impfstoff gegen SARS-CoV-2 (ARCT-154) auf samRNA-Basis eines kalifornischen Unternehmens zeigte 2022 in Phase-3-Studien eine Verringerung des Risikos schwerer Symptome in einer Größenordnung wie bei mRNA-Impfstoffen gezeigt.

Es gibt bislang keine zugelassenen samRNA-Impfstoff.

Weitere Impfstoffe

Weiterhin werden RNA-Impfstoffe in klinischen Studien zur Verwendung als Krebsimpfstoff sowie als Influenzaimpfstoff und als Tollwutimpfstoff (CV7201) untersucht.

Influenza-Impfstoff

Influenzaimpfstoffe aus mRNA werden in der Europäischen Union beispielsweise durch CORDIS, einen Forschungs- und Entwicklungsinformationsdienst der Europäischen Gemeinschaft, und durch das UniVax-Projekt, mit elf Einrichtungen aus sieben EU-Staaten, unterstützt. Über RNA-Impfstoffe soll einerseits bewirkt werden, dass das Influenzavirus im Körper der geimpften Personen keine vermehrungsfähigen Abkömmlinge mehr produziert. Zum andern soll das Immunsystem auf zukünftige Varianten des Influenzavirus besser vorbereitet werden.

Tollwut-Impfstoff

Eines der neuen Konzepte für eine Tollwut-Impfung ist die Verwendung von mRNA bei der Codierung des Haupt-Tollwutvirus-Antigens, des Hüllglykoproteins (RABV-G). Präklinische Studien mit RABV-G-mRNA, die in Lipidnanopartikeln eingekapselt war, zeigen eine verbesserte Reaktion sowohl bei Mäusen als auch bei nichtmenschlichen Primaten. Die Ergebnisse werden derzeit in klinischen Studien am Menschen weiterverfolgt.

Krebs-Impfstoff

Die Entwicklung von auf stabilisierter RNA-basierten Impfstoffen zur klinischen Anwendung bei Krebserkrankungen befindet sich derzeit in den frühen Phasen der klinischen Prüfung. Ausgehend von einem Produktionsplasmid wird hierzu mittels rekombinanter RNA-Polymerasen die mRNA transkribiert und anschließend in einem mehrstufigen Aufreinigungsprozess von der DNA-Matrize, von fehlerhaften, zu kurzen und zu langen Transkripten sowie Nukleotiden getrennt. Der Beweis für das Potenzial dieser neuartigen Wirkstoffe für die Bekämpfung derzeit nicht therapierbarer Krebserkrankungen beim Menschen muss noch erbracht werden.

Mögliche Nebenwirkungen

Hinsichtlich möglicher Nebenwirkungen laut Zulassungsstudien der jeweiligen Impfstoffe und als Ergebnis der Impfstoffanwendungen werden diese in den Artikeln des jeweiligen Impfstoffes wie beispielsweise unter Elasomeran und Tozinameran in den Abschnitten "Nebenwirkungen" ausgeführt, da sie je nach Impfstoff sehr unterschiedlich ausfallen können. Wie bei allen medizinischen Wirkstoffen ist davon auszugehen, das auch bei RNA-Impfstoffen Nebenwirkungen auftreten können und wurden gelegentlich auch schon berichtet. So ist in einem Bericht von 2020 von "Seiten-Effekten" (vaccine side effects) die Rede.

Präklinische Studien zu Infektionskrankheiten

Humanbereich

mRNA ist zudem für eine therapeutische Verwendung denkbar. Eine Tierversuchsstudie zeigte, dass die Verabreichung von nanoverkapselter mRNA, die für Teile eines breit neutralisierenden Anti-HIV-Antikörpers kodiert, humanisierte Mäuse gegenüber einer HIV-Exposition schützte. Die Daten legen nahe, dass die Verwendung von nukleosid-modifizierter mRNA für die passive Immuntherapie gegen HIV, Cytomegalovirus (CMV), humanes Papilomvirus (HPV) usw. erweitert werden könne.

Veterinärbereich

mRNA-Impfstoffe können auch im Veterinärbereich infrage kommen, um Infektionskrankheiten bei Tieren zu verhindern. Es konnte gezeigt werden, dass die Immunisierung mit in vitro transkribierter mRNA bei Mäusen einen Schutz gegen das Maul-und-Klauenseuche-Virus induzierte. Ein selbstamplifizierender mRNA-Impfstoff, der für das Rabiesvirus-Glykoprotein kodiert, induzierte bei Mäusen eine Immunantwort und ist möglicherweise zur Vorbeugung von Tollwut bei Hunden einsetzbar. Ein verkapselter modifizierter mRNA-Impfstoff, der für prM- und E-Gene des Hirschzecken-Powassan-Virus (POWV) kodiert, induzierte eine humorale Immunantwort nicht nur gegen POWV-Stämme, sondern auch gegen das verwandte Langat-Virus.

mRNA-Impfstoffe sind moderne biomedizinische Arzneimittel, die in der EU und dem Europäischen Wirtschaftsraum nur gemeinsam in einem zentralisierten Verfahren, koordiniert durch die Europäische Arzneimittel-Agentur EMA (European Medicines Agency), durch die Europäische Kommission zugelassen werden können. Zwei Mitgliedstaaten werden im Rahmen eines solchen Verfahrens mit der federführenden Bearbeitung beauftragt.

Arzneimittelrechtliche Einordnung

Dieser Abschnitt stellt die Situation in der Europäischen Union dar. Bitte hilf uns dabei, die Situation in anderen Regionen zu schildern.

mRNA-Impfstoffe gegen Infektionskrankheiten sind keine Gentherapeutika. Das wirkt sich arzneimittelrechtlich gemäß Anhang I, Teil IV, Abschnitt 2.1 der Richtlinie 2001/83/EG auf ihr Zulassungsverfahren in der Europäischen Union aus.

Literatur

• Jörg Blech, Claus Hecking: Die Medizin von morgen. Forscher entwickeln Spritzen gegen Krebs, Herzinfarkt und Alzheimer. In: Der Spiegel. Nr. 25, 2021, S. 92 (online). 
• Elie Dolgin: How COVID unlocked the power of RNA vaccines. In: Nature. Band 589, Nr. 7841, 14. Januar 2021, S. 189–191, doi:10.1038/d41586-021-00019-w, PMID 33437061 (deutsche Übersetzung unter dem Titel Siegeszug der RNA-Impfstoffe. In: Spektrum der Wissenschaft, Heft 3/2021, S. 53–57). 
• Elie Dolgin: The tangled history of mRNA vaccines. In: Nature. Band 597, Nr. 7876, September 2021, S. 318–324, doi:10.1038/d41586-021-02483-w, PMID 34522017. 
• Norbert Pardi et al.: mRNA vaccines – a new era in vaccinology. In: Nature Reviews Drug Discovery. Band 17, Nr. 4, April 2018, S. 261–279, doi:10.1038/nrd.2017.243, PMID 29326426. 

Dokumentationen

• mRNA − Hype oder Hoffnung? (Wissen Hoch 2) TV-Dokumentation in HD von Larissa Klinker und Tina Roth, ZDF / 3sat, D 2022 (youtube.com).

Weblinks

Portal: COVID-19 – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema COVID-19

• Nicole Schuster: mRNA-Vakzine. Impfen mit Genen. In: Pharmazeutische Zeitung. 23. Mai 2018; abgerufen am 26. Dezember 2020. 
• Lars Fischer: Wie DNA- und RNA-Impfungen funktionieren. In: Scilogs. 12. August 2020, abgerufen am 9. November 2020. 
• Arndt Reuning: mRNA als neues Konzept der Medizin: Es beginnt mit einer Impfung. Deutschlandfunk, 17. Januar 2021, abgerufen am 23. Januar 2021. 
• Covid-19-Impfung erklärt – mRNA Impfstoffe. Akademie der Naturwissenschaften Schweiz (SCNAT), naturwissenschaften.ch; abgerufen am 5. August 2021.

Einzelnachweise

1. mRNA-Impfstoffe gegen das Coronavirus. Forum Genforschung der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz, abgerufen am 5. August 2021. 
2. Nicole Schuster: mRNA-Vakzine – Impfen mit Genen. In: Pharmazeutische Zeitung, 21/2018; pharmazeutische-zeitung.de; abgerufen am 4. Februar 2021.
3. Wie funktionieren mRNA-Impfstoffe und was sind ihre Vorteile? Paul-Ehrlich-Institut, pei.de, 30. Juli 2020; abgerufen am 4. Februar 2021.
4. 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.
5. Siegfried Hofmann: Kampf gegen Infektionskrankheiten: Erster mRNA-Impfstoff: Diese Technologie könnte Covid-19 besiegen – und nicht nur das. handelsblatt.com, 2. Dezember 2020; abgerufen am 23. August 2021.
6. Fernando P. Polack et al.: Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine. In: The New England Journal of Medicine. Band 383, Nr. 27, 31. Dezember 2020, S. 2603–2615, doi:10.1056/NEJMoa2034577, PMID 33301246, PMC 7745181 (freier Volltext). 
7. Ugur Sahin et al.: Personalized RNA mutanome vaccines mobilize poly-specific therapeutic immunity against cancer. In: Nature. Band 547, Nr. 7662, 13. Juli 2017, S. 222–226, doi:10.1038/nature23003, PMID 28678784. 
8. Martin Alberer et al.: Safety and immunogenicity of a mRNA rabies vaccine in healthy adults: an open-label, non-randomised, prospective, first-in-human phase 1 clinical trial. In: The Lancet. Band 390, Nr. 10101, Juli 2017, S. 1511–1520, doi:10.1016/S0140-6736(17)31665-3. 
9. Norbert Pardi et al.: Recent advances in mRNA vaccine technology. In: Current Opinion in Immunology. Band 65, August 2020, S. 14–20, doi:10.1016/j.coi.2020.01.008. 
10. Norbert Pardi et al.: mRNA vaccines – a new era in vaccinology. In: Nature Reviews Drug Discovery. Band 17, April 2018, S. 261–279, doi:10.1038/nrd.2017.243. 
11. Oliver Klein, Katja Belousova: Impfstoffe: Warum es keine Langzeit-Nebenwirkungen gibt. In: ZDF. 6. Januar 2021, abgerufen am 14. Januar 2021. 
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