Molekulare Schützenhilfe

Über den besten Weg aus der Pandemie wurde schon viel diskutiert. Nur eins scheint dabei sicher: Eine erfolgreiche, zügige Impfkampagne ist essentiell. Einige Vakzine sind bereits zugelassen und millionenfach verimpft. Viele weitere befinden sich noch in unterschiedlichen Stadien der Entwicklung, der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind fast 300 Impfstoffprojekte bekannt. Auf der ganzen Welt ringt man nun um die rasche Produktion, Verteilung und Verabreichung einer nie dagewesenen Menge an Impfdosen. Besonders die neuartigen mRNA-Impfstoffe sind international gefragt. Sie zeigen nicht nur eine hohe Effektivität bei sehr geringen Nebenwirkungen, sondern sind auch verhältnismäßig einfach anzupassen. So könnten sie prinzipiell so engineert werden, dass sie eine solide Immunantwort auch auf mutierte Varianten von Sars-CoV-2 erzeugen.

Auch die deutsche Firma CureVac forscht an einem mRNA- Impfstoff und stößt dadurch auf weltweites Interesse. Unter anderem die deutsche Bundesregierung unterstützt ihre Forschung, und mit Tesla-Chef Elon Musk arbeitet CureVac seit diesem Jahr an einem »Drucker für Medikamente«. Auch das Fraunhofer IPK kooperiert mit dem Tübinger Unternehmen, um die Entwicklung und Herstellung des Corona-Impfstoffs voranzutreiben.

Wie funktionieren mRNA-Impfungen?

Auch wenn Unternehmen wie CureVac bereits seit zwei Jahrzehnten an mRNA-Technologien forschen, gab es bis vor Kurzem noch keine darauf basierenden, zugelassenen Impfstoffe. Die Dringlichkeit einer weltweiten Pandemie mit der Aussicht, ganze Volkswirtschaften über Jahre hinweg zu lähmen, hat dieser Technologie nun zum Durchbruch verholfen. Denn anders als bei bereits bekannten Viren wie Masern, Diphterie oder Grippe, gab es für das Coronavirus noch keinen »traditionellen« Impfstoff.

Diese basieren meist auf der Idee, dem Körper sogenannte Antigene zuzuführen: entweder abgeschwächte oder tote Versionen des Virus, gegen das geimpft wird, oder aber sogenannte Vektoren, harmlose Impfviren, die mit bruchstückhafter Erbinformation des schädlichen Virus »verkleidet« werden und so eine Infektion vorgaukeln. Diese Antigene können zwar keine Krankheit auslösen, den Organismus aber dazu anregen, so zu reagieren, als könnten sie es. Diese Abwehrreaktion kann sich der Körper über einen gewissen Zeitraum hinweg »merken« und zu seinem Arsenal der Immunabwehr hinzufügen. Sie kann sofort abgerufen werden, falls das echte Virus einmal erfasst wird.

Im Gegensatz dazu enthalten mRNA-Vakzine keine Bestandteile des Virus, gegen das geimpft wird. Mit der einzelsträngigen mRNA, auch Boten-RNA genannt (das m steht für »Messenger«), wird lediglich eine genetische Bauanleitung in den Körper der geimpften Person eingebracht. Diese ist in der Lage, körpereigene Zellen zur Produktion viraler Proteinbausteine anzuregen, die als Virusbestandteile erkannt werden und eine entsprechende Immunabwehrreaktion auslösen. Mit anderen Worten: Der Körper erzeugt auf Grundlage der mRNA-Information die Antigene selbst und reagiert dann auf diese. Wie das Deutsche Ärzteblatt berichtet, bietet diese Art der Impfung »ein deutlich besseres Sicherheitsprofil und geringere Nebenwirkungen«.

Warum also hat es so lang gedauert, bis sich mRNA-Vakzine durchsetzen konnten? Hierzu schreibt das Ärzteblatt: »Die Verwendung von mRNA als Impfstoff wurde zunächst nur zögernd entwickelt. Das lag vor allem daran, dass RNA-Moleküle sehr schnell enzymatisch abgebaut werden.« Das bedeutet, dass die mRNA-Moleküle ohne einen besonderen Schutz im Körper nicht lange genug bestehen bleiben können, um an der richtigen Stelle ihre Wirkung zu entfalten.

Fit durch Fett

Wie können die mRNA-Moleküle also für die Impfung und den Transport im Körper fit gemacht werden? Das Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel Paul-Ehrlich-Institut fasst das Prinzip so zusammen: »mRNA-/DNA-Impfstoffe benötigen für die Impfung keinen Vektor, d. h. kein Trägervirus, sondern flüssige Nanopartikel (Fetttröpfchen), sodass sie in einige Körperzellen gelangen können.«

Die mRNA-Moleküle müssen also in eine schützende Lipidhülle verkapselt werden. Derzeit verfügbare Techno-logien zur Erzeugung solcher Lipidnanopartikel und zur Verkapselung der Moleküle sind allerdings noch nicht sehr leistungsstark. Die aktuell in der Entwicklung befindlichen SARS-CoV-2-Impfstoffe können deshalb nur langsam vervielfältigt und getestet werden. Vor allem betreffen diese Schwierigkeiten nach heutigem Stand der Technik auch die Produktion des Impfstoffs, sobald die Entwicklung abgeschlossen ist. So kam es zum Kooperationsprojekt HeLiMol (Herstellung von Lipidnanoformulierungen für die Verkapselung von mRNA-Molekülen) mit dem Fraunhofer IPK. In dem Projekt, das durch CureVac in Form von Ausstattung, Materialien und Expertise unterstützt und durch die Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen der »Fraunhofer vs. Corona«-Kampagne finanziell gefördert wird, werden zwei mögliche Ansätze nahezu parallel erforscht.

Die beiden Herangehensweisen unterscheiden sich in der Methode der Vermischung der mRNA-Moleküle und der Lipidphase für eine schnelle und gleichmäßige Verkapselung. So werden mikrofluidische Verkapselungstechnologien entwickelt, die gleichzeitig eine GMP-konforme Verkapselung und eine Skalierung der Produktionskapazitäten ermöglichen. Zudem wird ein völlig neuer Ansatz zur makroskopischen Hochdurchsatzverkapselung der mRNA-Moleküle erforscht, mit dem die erforderlichen Produktionskapazitäten auch ohne eine komplexe Parallelisierung mikrofluidischer Strukturen erreicht werden können.