mRNA -Transkription in vitro , Aktivierung der angeborenen und adaptiven Immunität

Ein mRNA- Impfstoff ist ein Impfstoff , der eine Kopie eines Moleküls namens Boten-RNA (mRNA) nutzt, um eine Immunantwort auszulösen. [ 1 ] Der Impfstoff schleust Moleküle der Antigen -kodierenden mRNA in Zellen ein , die diese mRNA als Bauplan verwenden, um ein fremdes Protein herzustellen, das normalerweise von einem Krankheitserreger (z. B. einem Virus ) oder einer Krebszelle produziert würde . Diese Proteinmoleküle stimulieren eine adaptive Immunantwort , die den Körper lehrt, den entsprechenden Krankheitserreger oder die Krebszellen zu erkennen und zu zerstören. [ 1 ] Die mRNA wird in Form einer Co-Formulierung verabreicht , bei der die RNA in Lipid-Nanopartikeln verkapselt ist . Diese schützen die RNA-Stränge und erleichtern deren Aufnahme in die Zellen. [ 2 ] [ 3 ]

Video, das die Funktionsweise einer Impfung mit einem mRNA-Impfstoff zeigt

Die Reaktogenität , also die Neigung eines Impfstoffs, Nebenwirkungen hervorzurufen, ist vergleichbar mit der von herkömmlichen, nicht-RNA-basierten Impfstoffen. [ 4 ] Personen mit einer Veranlagung zu Autoimmunreaktionen können Nebenwirkungen auf mRNA-Impfstoffe zeigen. [ 4 ] Die Vorteile von mRNA-Impfstoffen gegenüber traditionellen Impfstoffen liegen in der einfachen Entwicklung, der schnellen und kostengünstigen Produktion, der Induktion sowohl zellulärer als auch humoraler Immunität und der fehlenden Interaktion mit der genomischen DNA . [ 5 ] [ 6 ] Während einige mRNA-Impfstoffe, wie beispielsweise der COVID-19-Impfstoff von Pfizer und BioNTech , den Nachteil haben, vor der Auslieferung ultrakalt gelagert werden zu müssen, [ 1 ] benötigen andere mRNA-Impfstoffe, wie beispielsweise der Moderna-Impfstoff , diese Anforderung nicht. [ 7 ]

Im Bereich der RNA-Therapeutika haben mRNA-Impfstoffe als mögliche COVID-19-Impfstoffe großes Interesse geweckt . [ 1 ] Im Dezember 2020 erhielten Pfizer-BioNTech und Moderna die Zulassung für ihre mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffe. Am 2. Dezember erteilte die britische Arzneimittelbehörde MHRA als erste Behörde die Zulassung für einen mRNA-Impfstoff und genehmigte den Impfstoff von Pfizer-BioNTech für den breiten Einsatz. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Am 11. Dezember erteilte die US-amerikanische Arzneimittelbehörde FDA eine Notfallzulassung für den Impfstoff von Pfizer-BioNTech [ 11 ] [ 12 ] und eine Woche später die entsprechende Zulassung für den Impfstoff von Moderna. [ 13 ] [ 14 ] Im Jahr 2023 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Katalin Karikó und Drew Weissman für ihre Entdeckungen zu modifizierten Nukleosiden verliehen , die die Entwicklung wirksamer mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 ermöglichten. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Geschichte

Frühe Forschung

Zeitleiste einiger wichtiger Entdeckungen und Fortschritte in der Entwicklung mRNA-basierter Arzneimitteltechnologie

Die erste erfolgreiche Transfektion von in liposomale Nanopartikel verpackter, designter mRNA in eine Zelle wurde 1989 publiziert. [ 18 ] [ 19 ] Ein Jahr später wurde „nackte“ (oder ungeschützte) im Labor hergestellte mRNA in die Muskulatur von Mäusen injiziert. [ 3 ] [ 20 ] Diese Studien lieferten den ersten Beweis dafür, dass in vitro transkribierte mRNA mit einem ausgewählten Gen die genetische Information zur Produktion eines gewünschten Proteins in lebendes Zellgewebe transportieren kann [ 3 ] und führten zur Entwicklung des Konzepts von mRNA-Impfstoffen. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

1993 wurde gezeigt, dass Liposomen -verkapselte mRNA, die für ein virales Antigen kodiert, T-Zellen in Mäusen stimuliert. [ 24 ] [ 25 ] Im darauffolgenden Jahr wurde selbstamplifizierende mRNA entwickelt, die sowohl ein virales Antigen als auch ein Replikase -kodierendes Gen enthielt. [ 24 ] [ 26 ] Mit dieser Methode konnte in Mäusen sowohl eine humorale als auch eine zelluläre Immunantwort gegen einen viralen Erreger ausgelöst werden . [ 24 ] Im Jahr darauf wurde gezeigt, dass mRNA, die für ein Tumorantigen kodiert , eine ähnliche Immunantwort gegen Krebszellen in Mäusen auslöst. [ 27 ] [ 28 ]

Entwicklung

Die erste klinische Studie am Menschen mit ex vivo dendritischen Zellen, die mit mRNA für Tumorantigene transfiziert wurden ( therapeutischer Krebs-mRNA-Impfstoff ), begann 2001. [ 29 ] [ 30 ] Vier Jahre später wurde über den erfolgreichen Einsatz modifizierter Nukleoside zum Transport von mRNA in Zellen berichtet, ohne die körpereigene Abwehr zu aktivieren. [ 29 ] [ 31 ] Ergebnisse klinischer Studien mit einem direkt in den Körper injizierten mRNA-Impfstoff gegen Krebszellen wurden 2008 veröffentlicht. [ 32 ] [ 33 ]

BioNTech (2008) und Moderna (2010) wurden gegründet, um mRNA-Biotechnologien zu entwickeln. [ 34 ] [ 35 ] Die US-Forschungsagentur DARPA startete zur gleichen Zeit das Biotechnologie- Forschungsprogramm ADEPT, um neue Technologien für das US-Militär zu entwickeln . [ 36 ] [ 37 ] Die Agentur erkannte das Potenzial der Nukleinsäuretechnologie für die Pandemiebekämpfung und begann, in diesem Bereich zu investieren. [ 36 ] Die DARPA-Fördergelder galten als Vertrauensbeweis und ermutigten wiederum andere Regierungsbehörden und private Investoren, in die mRNA-Technologie zu investieren. [ 37 ] DARPA gewährte Moderna damals einen Zuschuss in Höhe von 25 Millionen US-Dollar. [ 38 ]

Die ersten klinischen Studien am Menschen mit einem mRNA-Impfstoff gegen einen Infektionserreger ( Tollwut ) begannen 2013. [ 39 ] [ 40 ] In den folgenden Jahren wurden klinische Studien mit mRNA-Impfstoffen gegen eine Reihe weiterer Viren initiiert. mRNA-Impfstoffe für die Anwendung am Menschen wurden gegen Infektionserreger wie Influenza [ 41 ] , das Zika-Virus , das Zytomegalievirus und das Chikungunya-Virus untersucht . [ 42 ] [ 43 ]

Beschleunigung

Die COVID-19-Pandemie und die Sequenzierung des Erregers SARS-CoV-2 Anfang 2020 führten zur raschen Entwicklung der ersten zugelassenen mRNA-Impfstoffe. [ 44 ] [ 45 ] BioNTech und Moderna erhielten im Dezember desselben Jahres die Zulassung für ihre mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffe . Im Dezember 2020 erteilte die britische Arzneimittelbehörde MHRA als erste Arzneimittelbehörde weltweit die Notfallzulassung für einen mRNA-Impfstoff und gewährte dem COVID-19-Impfstoff BNT162b2 von Pfizer und BioNTech eine breite Anwendung. [ 8 ] [ 9 ] [ 46 ] Ebenfalls im Dezember 2020 erteilte die US-amerikanische Arzneimittelbehörde FDA die Notfallzulassung für den COVID-19-Impfstoff von Pfizer und BioNTech sowie für den COVID-19-Impfstoff von Moderna . [ 47 ]

Kombinationsimpfstoffe

Ein kombinierter mRNA-Impfstoff zum Schutz vor Influenza und COVID-19 wurde im Jahr 2026 eingeführt. [ 48 ] [ 49 ]

Mechanismus

Eine Illustration des Wirkungsmechanismus eines mRNA-Impfstoffs

Ziel einer Impfung ist es, das adaptive Immunsystem zur Bildung von Antikörpern anzuregen, die präzise auf den jeweiligen Krankheitserreger abzielen . Die Merkmale des Krankheitserregers, gegen die sich die Antikörper richten, werden als Antigene bezeichnet . [ 50 ]

Traditionelle Impfstoffe stimulieren eine Antikörperreaktion durch die Injektion von Antigenen , einem abgeschwächten Virus, einem inaktivierten Virus oder einem rekombinanten, Antigen-kodierenden viralen Vektor (einem harmlosen Trägervirus mit einem Antigen -Transgen ) in den Körper. Diese Antigene und Viren werden außerhalb des Körpers hergestellt und vermehrt. [ 51 ] [ 52 ]

Im Gegensatz dazu führen mRNA-Impfstoffe ein kurzlebiges [ 53 ] synthetisch hergestelltes Fragment der RNA-Sequenz eines Virus in den zu impfenden Organismus ein. Diese mRNA-Fragmente werden von dendritischen Zellen durch Phagozytose aufgenommen . [ 54 ] Die dendritischen Zellen nutzen ihre internen Ribosomen, um die mRNA abzulesen und die von ihr kodierten viralen Antigene zu produzieren. [ 4 ] Der Körper baut die mRNA-Fragmente innerhalb weniger Tage nach der Verabreichung ab. [ 55 ] Obwohl auch nicht-immunologische Zellen potenziell Impfstoff-mRNA aufnehmen, Antigene produzieren und diese auf ihrer Oberfläche präsentieren können, absorbieren dendritische Zellen die mRNA-Globuli deutlich leichter. [ 56 ] Die mRNA-Fragmente werden im Zytoplasma translatiert und beeinflussen nicht die körpereigene DNA, die sich separat im Zellkern befindet . [ 1 ] [ 57 ]

Sobald die viralen Antigene von der Wirtszelle produziert werden, setzen die normalen Prozesse des adaptiven Immunsystems ein. Antigene werden durch Proteasomen abgebaut. MHC-Moleküle der Klasse I und II binden dann an das Antigen und transportieren es zur Zellmembran, wodurch die dendritische Zelle aktiviert wird. [ 57 ] Aktivierte dendritische Zellen wandern zu den Lymphknoten , wo sie das Antigen T- und B-Zellen präsentieren . [ 58 ] Dies löst die Produktion von spezifischen Antikörpern gegen das Antigen aus und führt letztendlich zur Immunität . [ 50 ]

mRNA

mRNA-Komponenten, die für die Expression der Antigensequenz wichtig sind

Die zentrale Komponente eines mRNA-Impfstoffs ist sein mRNA-Konstrukt. [ 59 ] Die in vitro transkribierte mRNA wird aus einer gentechnisch veränderten Plasmid- DNA generiert, die einen RNA-Polymerase-Promotor und eine Sequenz enthält, die dem mRNA-Konstrukt entspricht. Durch die Kombination von T7-Phagen- RNA-Polymerase und der Plasmid-DNA kann die mRNA im Labor transkribiert werden. Die Wirksamkeit des Impfstoffs hängt von der Stabilität und Struktur der designten mRNA ab. [ 4 ]

Die in vitro transkribierte mRNA besitzt dieselben Strukturkomponenten wie natürliche mRNA in eukaryotischen Zellen . Sie verfügt über eine 5'-Cap- Struktur , eine 5'-untranslatierte Region (UTR) und eine 3'-UTR , einen offenen Leserahmen (ORF), der für das entsprechende Antigen kodiert, sowie einen 3'-Poly(A)-Schwanz . Durch Modifizierung dieser verschiedenen Komponenten der synthetischen mRNA lassen sich deren Stabilität und Translationsfähigkeit erhöhen und somit die Wirksamkeit des Impfstoffs verbessern. [ 59 ]

Die mRNA kann durch den Einsatz synthetischer 5'-Cap-Analoga verbessert werden, welche die Stabilität erhöhen und die Proteinübersetzung steigern. Ebenso können regulatorische Elemente in der 5'- und 3'-untranslatierten Region verändert und die Länge des Poly(A)-Schwanzes optimiert werden, um die mRNA zu stabilisieren und die Proteinproduktion zu erhöhen. Die Nukleotide der mRNA können so modifiziert werden, dass sowohl die Aktivierung des angeborenen Immunsystems verringert als auch die Halbwertszeit der mRNA in der Wirtszelle verlängert wird. Die Nukleinsäuresequenz und die Codonverwendung beeinflussen die Proteinübersetzung. Eine Anreicherung der Sequenz mit Guanin und Cytosin verbessert die mRNA-Stabilität und -Halbwertszeit und damit die Proteinproduktion. Der Austausch seltener Codons gegen synonyme Codons , die häufig von der Wirtszelle verwendet werden, steigert ebenfalls die Proteinproduktion. [ 4 ]

Lieferung

Wichtigste Verabreichungsmethoden und Trägermoleküle für mRNA-Impfstoffe

Für den Erfolg eines Impfstoffs muss ausreichend mRNA in das Zytoplasma der Wirtszelle gelangen , um die Produktion der spezifischen Antigene anzuregen. Der Eintritt der mRNA-Moleküle ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden. Sie sind nicht nur zu groß, um die Zellmembran durch einfache Diffusion zu passieren , sondern auch – wie die Zellmembran – negativ geladen, was zu einer gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung führt. Darüber hinaus wird mRNA in Haut und Blut leicht durch RNAsen abgebaut. [ 57 ]

Zur Überwindung dieser Verabreichungshürden wurden verschiedene Methoden entwickelt. Die Impfstoffverabreichungsmethoden lassen sich grob danach einteilen, ob der mRNA-Transfer in die Zellen innerhalb ( in vivo ) oder außerhalb ( ex vivo ) des Organismus erfolgt. [ 57 ] [ 3 ]

Ex vivo

Dendritische Zellen präsentieren Antigene auf ihrer Oberfläche , was zu Interaktionen mit T-Zellen und damit zur Auslösung einer Immunantwort führt. Dendritische Zellen können von Patienten gewonnen, mit der gewünschten mRNA programmiert und anschließend wieder in die Patienten verabreicht werden, um eine Immunantwort zu erzeugen. [ 60 ]

Die einfachste Art und Weise, wie ex vivo dendritische Zellen mRNA-Moleküle aufnehmen, ist die Endozytose . Dieser Mechanismus ist im Labormaßstab recht ineffizient, kann aber durch Elektroporation deutlich verbessert werden . [ 57 ]

In vivo

Seit der Entdeckung, dass die direkte Verabreichung von in vitro transkribierter mRNA zur Expression von Antigenen im Körper führt, wurden In-vivo- Ansätze untersucht. [ 20 ] Diese bieten einige Vorteile gegenüber Ex-vivo- Methoden, insbesondere durch die Vermeidung der Kosten für die Gewinnung und Adaptation dendritischer Zellen von Patienten und durch die Nachahmung einer regulären Infektion. [ 57 ]

Unterschiedliche Injektionswege , beispielsweise in die Haut , den Blutkreislauf oder die Muskulatur , führen zu unterschiedlich hohen mRNA-Aufnahmeraten, weshalb die Wahl des Verabreichungswegs ein entscheidender Aspekt der In-vivo -Verabreichung ist . Eine Studie zeigte im Vergleich verschiedener Wege, dass die Injektion in Lymphknoten die stärkste T-Zell-Antwort hervorruft. [ 61 ]

Injektion nackter mRNA

Die Injektion nackter mRNA bedeutet, dass die Impfstoffverabreichung ausschließlich in einer Pufferlösung erfolgt . [ 62 ] Diese Art der mRNA-Aufnahme ist seit den 1990er Jahren bekannt. [ 20 ] In den ersten weltweiten klinischen Studien wurde nackte mRNA intradermal zur Impfung eingesetzt. [ 63 ] [ 64 ] Verschiedene Methoden wurden zur Verabreichung nackter mRNA angewendet, darunter subkutane, intravenöse und intratumorale Injektionen. Obwohl die Verabreichung nackter mRNA eine Immunantwort auslöst, ist diese relativ schwach, und die mRNA wird nach der Injektion häufig schnell abgebaut. [ 57 ]

Polymer- und Peptidvektoren

Kationische Polymere können mit mRNA gemischt werden, um schützende Hüllen, sogenannte Polyplexe, zu erzeugen . Diese schützen die rekombinante mRNA vor Ribonukleasen und erleichtern deren Eindringen in Zellen. Protamin ist ein natürliches kationisches Peptid und wurde zur Verkapselung von mRNA für Impfungen verwendet. [ 65 ] [ 66 ]

Lipid-Nanopartikel-Vektor

Zusammenbau von RNA-Lipid-Nanopartikeln

Die FDA genehmigte 2018 erstmals die Verwendung von Lipidnanopartikeln als Wirkstoffträgersystem und gab damit die Zulassung für das erste siRNA- Medikament, Onpattro , bekannt . [ 67 ] Die Verkapselung des mRNA-Moleküls in Lipidnanopartikeln war ein entscheidender Durchbruch für die Entwicklung wirksamer mRNA-Impfstoffe und überwand mehrere wichtige technische Hürden bei der Einschleusung des mRNA-Moleküls in die Wirtszelle. [ 67 ] [ 68 ] Die Forschung zur Verwendung von Lipiden für den siRNA-Transport in Zellen legte den Grundstein für ähnliche Forschungen zur Verwendung von Lipiden für den mRNA-Transport. [ 69 ] Allerdings mussten neue Lipide entwickelt werden, um die deutlich längeren mRNA-Stränge zu verkapseln. [ 69 ]

Das Lipid bildet im Wesentlichen eine Schutzschicht gegen Abbau und ermöglicht so eine robustere Translation. Darüber hinaus erlaubt die Anpassung der äußeren Lipidschicht die gezielte Ansteuerung gewünschter Zelltypen durch Ligandeninteraktionen . Zahlreiche Studien haben jedoch auch die Schwierigkeit der Untersuchung dieser Art der Verabreichung hervorgehoben und gezeigt, dass es hinsichtlich der zellulären Aufnahme eine Diskrepanz zwischen In-vivo- und In-vitro- Anwendungen von Nanopartikeln gibt. [ 70 ] Die Nanopartikel können dem Körper auf verschiedenen Wegen verabreicht und transportiert werden, beispielsweise intravenös oder über das Lymphsystem . [ 67 ]

Ein Problem bei Lipidnanopartikeln besteht darin, dass viele der Durchbrüche, die zu ihrer praktischen Anwendung führten, den Einsatz von Mikrofluidik erfordern . Mikrofluidische Reaktionskammern lassen sich nur schwer skalieren, da der Kern der Mikrofluidik darin besteht, das Verhalten von Flüssigkeiten im Mikromaßstab auszunutzen. Die einzige Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, ist der parallele Betrieb einer großen Anzahl mikrofluidischer Reaktionskammern – eine neuartige Aufgabe, die speziell angefertigte Anlagen erfordert. [ 71 ] [ 72 ] Bei COVID-19-mRNA-Impfstoffen war dies der größte Engpass in der Produktion. Pfizer nutzte einen solchen parallelen Ansatz, um das Skalierungsproblem zu lösen. Nachdem sich herausgestellt hatte, dass Strahlmischer nicht direkt skaliert werden konnten, [ 73 ] fertigte Pfizer etwa 100 dieser kleinen Mischer (jeweils etwa so groß wie eine US-amerikanische 50-Cent-Münze ), verband sie mit Pumpen und Filtern über ein komplexes Rohrleitungssystem [ 74 ] [ 75 ] und installierte ein Computersystem zur Steuerung von Durchfluss und Druck in den Mischern. [ 73 ]

Ein weiteres Problem bei der großflächigen Anwendung dieser Verabreichungsmethode ist die Verfügbarkeit der neuartigen Lipide, die zur Herstellung von Lipidnanopartikeln benötigt werden, insbesondere ionisierbarer kationischer Lipide. Vor 2020 wurden solche Lipide nur in geringen Mengen im Gramm- oder Kilogrammbereich hergestellt und für die medizinische Forschung sowie für einige wenige Medikamente gegen seltene Erkrankungen verwendet. Nachdem die Sicherheit und Wirksamkeit von mRNA-Impfstoffen im Jahr 2020 eindeutig belegt waren, standen die wenigen Unternehmen, die die benötigten Lipide herstellen konnten, vor der Herausforderung, die Produktion auszuweiten, um Bestellungen über mehrere Tonnen Lipide bedienen zu können. [ 72 ] [ 76 ]

Virusvektor

Neben nicht-viralen Übertragungsmethoden wurden RNA-Viren so entwickelt , dass sie ähnliche Immunantworten hervorrufen. Typische RNA-Viren, die als Vektoren eingesetzt werden, sind Retroviren , Lentiviren , Alphaviren und Rhabdoviren , die sich in Struktur und Funktion unterscheiden können. [ 77 ] In klinischen Studien wurden solche Viren bei verschiedenen Erkrankungen in Tiermodellen wie Mäusen , Hühnern und Primaten eingesetzt . [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]

Vorteile

Traditionelle Impfstoffe

Vor- und Nachteile verschiedener Impfstoffplattformen

mRNA-Impfstoffe bieten gegenüber herkömmlichen Impfstoffen spezifische Vorteile . [ 4 ] [ 5 ] Da mRNA-Impfstoffe nicht aus einem aktiven (oder auch nicht inaktivierten) Krankheitserreger hergestellt werden, sind sie nicht infektiös. Im Gegensatz dazu erfordern herkömmliche Impfstoffe die Produktion von Krankheitserregern, was bei großen Mengen das Risiko lokaler Virusausbrüche in der Produktionsstätte erhöhen könnte. [ 5 ] Ein weiterer biologischer Vorteil von mRNA-Impfstoffen besteht darin, dass die Antigene intrazellulär produziert werden und dadurch sowohl die zelluläre als auch die humorale Immunität stimulieren . [ 6 ] [ 81 ]

mRNA-Impfstoffe bieten den Produktionsvorteil, dass sie schnell entwickelt werden können. Moderna entwickelte seinen mRNA- Impfstoff mRNA-1273 gegen COVID-19 innerhalb von zwei Tagen. [ 82 ] Sie lassen sich zudem schneller, kostengünstiger und standardisierter herstellen (mit geringeren Fehlerraten in der Produktion), was die Reaktionsfähigkeit bei schweren Ausbrüchen verbessern kann. [ 4 ] [ 5 ]

Die Massenproduktion des Pfizer/BioNTech-Impfstoffs dauerte ursprünglich 110 Tage (bevor Pfizer den Herstellungsprozess auf nur 60 Tage optimierte), was deutlich schneller war als bei herkömmlichen Grippe- und Polioimpfstoffen. [ 74 ] Innerhalb dieses längeren Zeitraums beträgt die eigentliche Produktionszeit nur etwa 22 Tage: zwei Wochen für das molekulare Klonen von DNA-Plasmiden und die DNA-Reinigung, vier Tage für die DNA-zu-RNA- Transkription und die mRNA-Reinigung sowie vier Tage für die Verkapselung der mRNA in Lipidnanopartikeln, gefolgt von Abfüllung und Endverpackung . [ 83 ] Der Großteil der für jeden Produktionslauf benötigten Tage wird für eine strenge Qualitätskontrolle in jeder Phase aufgewendet. [ 74 ]

DNA-Impfstoffe

Neben den Vorteilen theoretischer DNA-Impfstoffe gegenüber etablierten traditionellen Impfstoffen bieten mRNA-Impfstoffe zusätzliche Vorteile. Die mRNA wird im Zytosol translatiert , sodass sie nicht in den Zellkern gelangen muss und das Risiko einer Integration in das Wirtsgenom vermieden wird. [ 3 ] Modifizierte Nukleoside (z. B. Pseudouridine , 2'-O-methylierte Nukleoside) können in die mRNA eingebaut werden, um die Stimulation der Immunantwort zu unterdrücken , einen sofortigen Abbau zu verhindern und durch eine erhöhte Translationskapazität eine länger anhaltende Wirkung zu erzielen. [ 31 ] [ 84 ] [ 85 ] Der offene Leserahmen (ORF) und die untranslatierten Regionen (UTR) der mRNA können für verschiedene Zwecke optimiert werden (ein Prozess, der als Sequenz-Engineering der mRNA bezeichnet wird), beispielsweise durch Anreicherung des Guanin-Cytosin-Gehalts oder Auswahl spezifischer UTRs, die bekanntermaßen die Translation steigern. [ 54 ] Durch Hinzufügen eines zusätzlichen offenen Leserahmens (ORF), der für einen Replikationsmechanismus kodiert, kann die Antigenübersetzung und damit die Immunantwort verstärkt werden, wodurch die benötigte Menge an Ausgangsmaterial verringert wird. [ 86 ] [ 87 ]

Nachteile

Lagerung

Da mRNA empfindlich ist, müssen einige Impfstoffe bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert werden, um ihren Abbau und damit eine geringe Wirksamkeit beim Geimpften zu verhindern. Der mRNA-Impfstoff BNT162b2 von Pfizer und BioNTech muss zwischen −80 und −60 °C (−112 und −76 °F) aufbewahrt werden. [ 88 ] [ 89 ] Moderna gibt an, dass ihr mRNA-Impfstoff mRNA-1273 zwischen −25 und −15 °C (−13 und 5 °F) gelagert werden kann [ 90 ] , was mit einem Haushaltsgefrierschrank vergleichbar ist [ 89 ] , und dass er zwischen 2 und 8 °C (36 und 46 °F) bis zu 30 Tage lang stabil bleibt. [ 90 ] [ 91 ] Im November 2020 berichtete Nature : „Obwohl Unterschiede in den LNP-Formulierungen oder den mRNA-Sekundärstrukturen die Unterschiede in der Thermostabilität [zwischen Moderna und BioNTech] erklären könnten, vermuten viele Experten, dass beide Impfstoffe letztendlich ähnliche Lageranforderungen und Haltbarkeiten unter verschiedenen Temperaturbedingungen aufweisen werden.“ [ 81 ] Es werden mehrere Plattformen untersucht, die eine Lagerung bei höheren Temperaturen ermöglichen könnten. [ 4 ]

Jüngste

Vor 2020 war keine mRNA-Technologieplattform (weder Medikament noch Impfstoff) für die therapeutische Anwendung am Menschen zugelassen, weshalb das Risiko unbekannter Nebenwirkungen bestand. [ 81 ] Die COVID-19-Pandemie 2020 erforderte eine schnellere Produktion von mRNA-Impfstoffen, was diese für nationale Gesundheitsorganisationen attraktiv machte und zu einer Debatte über die Art der Erstzulassung (einschließlich Notfallzulassung oder erweiterter Zugangszulassung ) nach der achtwöchigen Phase nach Abschluss der klinischen Studien am Menschen führte. [ 92 ] [ 93 ]

Nebenwirkungen

Die Reaktogenität ist vergleichbar mit der von herkömmlichen, nicht-RNA-basierten Impfstoffen. Personen mit einer Veranlagung zu Autoimmunreaktionen können jedoch unerwünschte Reaktionen auf mRNA-Impfstoffe zeigen. [ 4 ] Die mRNA-Stränge im Impfstoff können eine unbeabsichtigte Immunreaktion auslösen – der Körper interpretiert dies als Krankheitssymptome , die sich auch bei der betroffenen Person bemerkbar machen. Um dies zu minimieren, sind die mRNA-Sequenzen in mRNA-Impfstoffen so gestaltet, dass sie denen von Wirtszellen nachempfunden sind. [ 5 ]

In Studien zu neuartigen COVID-19-mRNA-Impfstoffen wurden starke, aber vorübergehende Reaktionen beobachtet; die meisten Menschen werden keine schweren Nebenwirkungen wie Fieber und Müdigkeit verspüren. Schwere Nebenwirkungen sind definiert als solche, die die Ausübung alltäglicher Aktivitäten verhindern. [ 94 ]

Wirksamkeit

Die COVID-19-mRNA-Impfstoffe von Moderna und Pfizer/BioNTech zeigten kurzfristige Wirksamkeitsraten von über 90 Prozent gegen das ursprüngliche SARS-CoV-2-Virus. Vor der Entwicklung von mRNA-Impfstoffen waren Arzneimittelstudien gegen andere Krankheitserreger als COVID-19 nicht erfolgreich und mussten in den frühen Studienphasen abgebrochen werden. Die Gründe für die Wirksamkeit der neuen mRNA-Impfstoffe sind unklar. [ 95 ]

Die Ärztin und Wissenschaftlerin Margaret Liu erklärte, die Wirksamkeit der neuen COVID-19-mRNA-Impfstoffe könne auf den enormen Entwicklungsaufwand zurückzuführen sein. Alternativ könnten die Impfstoffe eine unspezifische Entzündungsreaktion auf die mRNA auslösen, die die spezifische Immunantwort verstärken könnte, da die modifizierte Nukleosid-Technik die Entzündung zwar reduzierte, aber nicht vollständig eliminierte. Dies könne auch die heftigen Reaktionen wie Schmerzen und Fieber erklären, die bei einigen Geimpften mit den mRNA-SARS-CoV-2-Impfstoffen beobachtet wurden. Diese Reaktionen waren zwar schwerwiegend, aber vorübergehend. Eine andere Theorie besagt, dass sie auf die Lipid-basierten Wirkstoffträger zurückzuführen sind. [ 95 ] Im Juni 2021 fügte die US-amerikanische Arzneimittelbehörde FDA einen Warnhinweis hinzu, dass bei manchen Menschen ein erhöhtes Risiko für Myokarditis und Perikarditis bestehen könnte. [ 96 ]

Zögern

Es kursieren Fehlinformationen, die suggerieren, dass mRNA-Impfstoffe die DNA im Zellkern verändern könnten. [ 97 ] mRNA im Zytosol wird rasch abgebaut, bevor sie in den Zellkern gelangen kann. Retroviren können einzelsträngige RNA sein (wie viele SARS-CoV-2 -Impfstoffe), die in den Zellkern eindringt und dort mithilfe der reversen Transkriptase DNA aus der RNA synthetisiert. Retroviren besitzen Mechanismen für den Import in den Zellkern, andere mRNA (wie z. B. Impfstoffe) hingegen nicht. Im Zellkern kann die DNA-Synthese aus RNA nur mit reverser Transkriptase und geeigneten Primern erfolgen . Diese sind bei Retroviren vorhanden, fehlen aber bei anderer exogener mRNA (wie z. B. Impfstoffen), selbst wenn diese in den Zellkern gelangen könnte. [ 98 ]

Verstärkung

mRNA-Impfstoffe verwenden entweder nicht-amplifizierende (konventionelle) mRNA oder selbstamplifizierende mRNA. [ 99 ] Die Impfstoffe von Pfizer/BioNTech und Moderna verwenden nicht-amplifizierende mRNA. Beide mRNA-Typen werden weiterhin als Impfstoffe gegen andere potenzielle Krankheitserreger und Krebs erforscht. [ 32 ]

Nicht verstärkend

Mechanismus nicht-amplifizierender und selbstamplifizierender mRNA-Impfstoffe

Die ersten mRNA-Impfstoffe verwenden ein nicht-amplifizierendes mRNA-Konstrukt. [ 66 ] Nicht-amplifizierende mRNA besitzt nur einen offenen Leserahmen , der für das gewünschte Antigen kodiert. [ 99 ] Die der Zelle zur Verfügung stehende Gesamtmenge an mRNA entspricht der durch den Impfstoff verabreichten Menge. Die Dosierung ist durch die Menge an mRNA, die durch den Impfstoff verabreicht werden kann, begrenzt. [ 100 ] In nicht-amplifizierenden Impfstoffen wird Uridin durch N1-Methylpseudouridin ersetzt , um die Toxizität zu reduzieren. [ 101 ]

Selbstverstärkend

Selbstamplifizierende mRNA-Impfstoffe (saRNA-Impfstoffe) replizieren ihre mRNA nach der Transfektion. [ 102 ] Selbstamplifizierende mRNA besitzt zwei offene Leserahmen . Der erste Leserahmen codiert, wie bei konventioneller mRNA, für das gewünschte Antigen. Der zweite Leserahmen codiert für eine RNA-abhängige RNA-Polymerase (und ihre Hilfsproteine), die das mRNA-Konstrukt in der Zelle repliziert. Dies ermöglicht kleinere Impfstoffdosen. [ 102 ] Die Mechanismen und folglich die Evaluierung von selbstamplifizierender mRNA können sich unterscheiden, da selbstamplifizierende mRNA ein deutlich größeres Molekül ist. [ 3 ]

Zu den in der Forschung befindlichen SaRNA-Impfstoffen gehört auch ein Malariaimpfstoff . [ 103 ] Der erste zugelassene SaRNA-Covid-Impfstoff war Gemcovac, der im Juni 2022 in Indien eingeführt wurde. [ 104 ] Der zweite war ARCT-154 , entwickelt von Arcturus Therapeutics. Eine von Meiji Seika Pharma hergestellte Version wurde im November 2023 in Japan zugelassen. [ 105 ]

GSK begann 2021 eine Phase-I-Studie mit einem saRNA-basierten COVID-19-Impfstoff. [ 106 ] Auch Gritstone Bio startete 2021 eine Phase-I-Studie mit einem saRNA-basierten COVID-19-Impfstoff, der als Auffrischungsimpfung eingesetzt wird . Erste Zwischenergebnisse wurden 2023 veröffentlicht. [ 107 ] Der Impfstoff zielt sowohl auf das Spike-Protein des SARS-CoV-2- Virus als auch auf virale Proteine ​​ab, die möglicherweise weniger anfällig für genetische Variationen sind, um einen besseren Schutz vor SARS-CoV-2-Varianten zu bieten. [ 108 ] [ 109 ] saRNA-Impfstoffe benötigen Uridin, das für die Reproduktion erforderlich ist. [ 101 ]

Siehe auch

Referenzen

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Weiterführende Literatur