Impflexikon 8 - 1

Genbasierte Impfstoffe – Das Prinzip

Bald gibt es das Impfdiplom.
Bald gibt es das Impfdiplom. Foto: Jörg Lippmeyer

Bei Lebend- und Totimpfstoffen werden dem Körper die abgeschwächten Erreger oder Erregerantigene mit dem Impfstoff zugeführt. Bei genbasierten Impfstoffen müssen Körperzellen hingegen ein Antigen selbst herstellen, nachdem ihnen das entsprechende Gen mit dem Impfstoff appliziert wurde.

Um zu verstehen, was die besonderen Vorteile der genbasierten Impfstoffe sind und vor allem, weshalb bei ihnen die Wahrscheinlichkeit von schweren Nebenwirkungen konstruktionsbedingt gering ist, macht es Sinn, sich den Weg vom Bauplan, der Erbanlage, bis zum fertigen Protein anzuschauen.

Proteine (Eiweiße) sind die Grundbausteine für den Aufbau und den Stoffwechsel einer Zelle und somit für die gesamte biologische Funktion eines Lebewesens. Jedes Protein, sei es erforderlich für Zellwandstrukturen oder die Strukturen der Stoffwechselapparate in den Zellen, den sog. Organellen, besteht aus einer Kette von Aminosäuren (Polypeptidkette). Aus 20 Aminosäuren werden alle Proteine zusammengesetzt, die als Enzyme die Stoffwechselprozesse im Körper steuern. Jedes Enzym, jede Zellwand hat eine spezifische Aminosäuresequenz. Fehlt nur eine Aminosäure in der Kette, funktioniert das Enzym und damit die ganze Zelle nicht mehr.

Der genaue Code für die Bildung dieser Proteine ist in der DNA, die sich in den Chromosomen befindet, gespeichert. Die Chromosomen mit der DNA im Zellkern sind der Datenspeicher für alle Funktionen eines Organismus. Die DNA kann man sich als eine Strickleiter mit tausenden von Stufen (Nukleotide) vorstellen. Jeweils drei dieser Stufen, genannt Codon, stehen für eine Aminosäure. Aus einer Reihe aufeinanderfolgender Codone besteht der Code, das Gen, für ein bestimmtes Protein. Damit die DNA in den Chromosomen nicht zu viel Platz einnimmt, ist sie wie eine Kordel zusammen gedröselt. Diese Kordel wird nur an den Stellen aufgedröselt, wo gerade ein Gen ausgelesen wird. An dieser Stelle kommt nun die mRNA ins Spiel. M steht für Messenger = Bote. Sie heißt im Deutschen daher auch Boten-RNA. Die Proteinsynthese kann nämlich nicht direkt an der DNA des Zellkerns ablaufen, das passiert an den sog. Ribosomen.

Die mRNA ist wie die DNA ein Kettenmolekül. Allerdings besteht sie nur aus einem halben Strang, so als wären die Sprossen der Strickleiter in der Mitte durchgesägt. Wenn an der DNA die mRNA gebildet wird, entsteht dabei ein genaues Spiegelbild des jeweiligen Gens. Die mRNA löst sich dann vom Zellkern und wandert zu den Ribosomen, den Komplexen in den Zellen, an denen Proteine hergestellt werden. Hier wird die Nukleotidsequenz eines mRNA-Einzelstrangs in die Aminosäurensequenz eines Proteins übersetzt. Diese Umwandlung der in der mRNA gespeicherten Information in eine Abfolge von verknüpften Aminosäuren heißt Translation (lateinisch für Übersetzung) und ist in allen Lebewesen ein zentraler Bestandteil der Proteinbiosynthese.

Der Weg von der DNA des Zellkerns über die mRNA zu den Ribosomen ist eine Einbahnstraße. Es gibt in den Zellen aller Lebewesen normalerweise keinen Prozess in umgekehrter Richtung. Mit der mRNA ist es technisch unmöglich, irgendeine genetische Information in den Zellkern hinein zu mogeln. Es gibt heutzutage zwar durchaus schon Methoden, Gene zu verändern. Das macht man sich bei der Herstellung von Medikamenten und auch Impfstoffen zunutze. Die modernen Insuline werden z. B. durchweg gentechnisch hergestellt. Nur beim Einbau dieser Gene zum Beispiel in das Genom von Hefezellen spielt die mRNA keine Rolle. Die wird erst wieder gebraucht, wenn aus dem Gen für Insulin das fertige Insulin hergestellt wird. So kann man ein dem menschlichen identisches Insulin produzieren.

Die Ribosomen sind allerdings nicht wählerisch. Sie nehmen jede mRNA und produzieren das, was der genetische Code beinhaltet. Das sind normalerweise die Proteine/Enzyme, die der Körper braucht. Wenn den Ribosomen aber eine körperfremde mRNA angeboten wird, nehmen sie die auch und produzieren damit körperfremde Proteine, ggf. auch neue Viren. So ein körperfremdes Protein wird vom Immunsystem aber alsbald als Antigen identifiziert und mithilfe der neutralisierenden Antikörper unschädlich gemacht. Gleichzeitig wird die Zelle, die mit ihren Ribosomen aus der Reihe tanzt, abgetötet. Das machen die T-Zellen.

Bei den Impfstoffen gegen das SARS-CoV-2-Virus kommen 2 unterschiedliche Methoden zum Einsatz, die den Organismus dazu bringen, die Antikörper gegen das Spike-Protein zu bilden:

  • Vektorviren-Prinzip
  • mRNA-Impfstoffe

Bei den Vektorviren handelt es sich um vermehrbare, aber harmlose Viren, in die man gentechnisch zusätzlich das Gen für das Spike-Protein eingebaut hat. Wenn das Virus von der beimpften Zelle vermehrt wird, werden dann auch die Spike-Proteine als Antigen produziert.

Die mRNA-Impfstoffe enthalten nur die nackte Erbinformation des Virus in der Form von mRNA – geliefert wird also nur der Bauplan für einzelne Virusproteine. Im Falle der SARS-CoV-2-Viren sind das die Spike-Proteine. Der Impfstoff verteilt sich in nur einigen wenigen Körperzellen an der Injektionsstelle. Dort bildet der Körper das Antigen selbst. Das reicht, um eine ausreichende Immunantwort zu erzielen. Das Prinzip stammt übrigens aus der Krebsforschung, wo seit Jahren an Impfstoffen gearbeitet wird, die maßgeschneiderte Antikörper produzieren gegen die speziellen Tumoren von betroffenen Patienten.

Bei genbasierten Impfstoffen werden also keine abgeschwächten Krankheitserreger oder deren (Protein-)Bestandteile als Antigen mehr benötigt wie bei konventionellen Impfstoffen. Es wird nur noch die genetische Information in die Zelle hinein bugsiert, aus der Körper das Antigen selbst bildet. Bei einem späteren Kontakt mit dem neuartigen Coronavirus erkennt das Immunsystem das Antigen wieder und kann das Virus gezielt bekämpfen.

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