RNA-Impfstoff

Grundprinzip und Bedeutung

Ein RNA-Impfstoff, meist mRNA-Impfstoff genannt, ist ein Impfstoff, dessen Wirkmechanismus auf Messenger-RNA (mRNA) oder modRNA, also nukleosid-modifizierter mRNA, beruht. Er gehört zu den genetischen Impfstoffen: Die RNA enthält die Bauanleitung für ein Protein, das erst im Körper der geimpften Person hergestellt wird und die gewünschte Immunreaktion auslöst.

Grundsätzlich können RNA-Impfstoffe gegen jedes proteinbasierte Antigen entwickelt werden. Ein Antigen ist ein Merkmal, das vom Immunsystem spezifisch erkannt wird. Die Antigene können beispielsweise von Viren, Bakterien, Tumoren oder Giftstoffen abgeleitet sein. Die RNA selbst ist nicht das Antigen und wird nach kurzer Zeit in der Zelle abgebaut. Die gewünschte Abwehr richtet sich gegen das nach ihrer Vorlage gebildete Protein.

Damit die große und negativ geladene RNA in Zellen gelangt, wird sie meist in Lipid-Nanopartikel verpackt. Diese erleichtern ihre Aufnahme. In der Zellflüssigkeit wird die RNA an Ribosomen in das gewünschte Protein übersetzt. Die Zelle präsentiert Teile dieses Proteins dem Immunsystem, das dadurch eine spätere Infektion mit dem natürlichen Erreger erkennen und bekämpfen kann. Wirksamkeit und Sicherheit wurden seit 2002 in zahlreichen klinischen Studien zu Krebsarten und Infektionskrankheiten untersucht. Während der COVID-19-Pandemie wurden mRNA-Impfstoffe erstmals in großem Maßstab erfolgreich eingesetzt.

Aufnahme in die Zelle und Immunantwort

Nackte mRNA kann die Zellmembran nicht einfach durch Diffusion überwinden. Sie ist mit etwa 10^4 bis 10^6 Da zu groß, negativ geladen und außerdem ein Angriffspunkt für Nukleasen, also RNA-abbauende Enzyme, sowie für das angeborene Immunsystem. Deshalb wird sie mit Transfektionsreagenzien verabreicht. Dafür kommen vor allem lipid- oder polymerbasierte Nanopartikel infrage.

Die Aufnahme eines RNA-Lipid-Nanopartikels erfolgt durch Endozytose. Dabei schnürt sich ein Endosom von der Zelloberfläche ab. Durch die Ansäuerung des Endosoms entstehen am Transfektionsreagenz positive Ladungen, die negativ geladene Moleküle und Wasser binden. Nach der Protonenschwamm-Hypothese schwillt das Endosom dadurch vermutlich an und reißt vorübergehend, sodass das Nanopartikel ins Zytosol, die Zellflüssigkeit, gelangt.

Am Ribosom wird die mRNA durch Translation in ein Antigenprotein übersetzt. Dieses wird durch das Proteasom in Peptide zerlegt. Die Peptide gelangen über den Antigenpeptid-Transporter in das endoplasmatische Retikulum und binden dort an MHC-Komplexe. MHC-Komplexe präsentieren den Zellen des Immunsystems charakteristische Proteinabschnitte, sogenannte Epitope.

Die Präsentation über MHC I löst eine zelluläre Immunantwort aus. Dabei entstehen unter anderem zytotoxische T-Zellen gegen das präsentierte Antigen, beispielsweise gegen das Spike-Glykoprotein. Die MHC-II-Präsentation erzeugt eine humorale Immunantwort, bei der Antikörper gebildet werden. Wird ein Membranprotein als Antigen verwendet, kann es zusätzlich in voller Länge auf der Zellmembran erscheinen, sodass Antikörper an den auf der Zelloberfläche befindlichen Anteil binden können.

Aufbau und Herstellung

Je langsamer mRNA in der Zelle abgebaut wird, desto häufiger kann sie translatiert werden und desto mehr Antigenprotein entsteht. Die biologische Halbwertszeit der mRNA kann je nach mRNA zwischen Minuten und einigen Stunden liegen. Eine Cap-Struktur am 5'-Ende sowie untranslatierte Regionen (UTR) am 5'- und 3'-Ende verlängern ihre Lebensdauer. Ein Poly-A-Schwanz unterstützt ebenfalls den verlangsamten Abbau. Durch ungewöhnliche Nukleoside kann die mRNA so verändert werden, dass sie vom angeborenen Immunsystem weniger stark erkannt wird. Solche modRNA wird beispielsweise in COVID-19-Impfstoffen verwendet.

Eine Variante ist selbstamplifizierende mRNA (self-amplifying mRNA, samRNA). Sie codiert neben dem Antigen zusätzlich für eine RNA-Replikase, ein Enzym, das die RNA kopiert. Dadurch kann bei gleicher Impfwirkung die benötigte RNA-Menge verringert werden; als ausreichend für eine Impfwirkung wurden 50 ng RNA beschrieben. SamRNA ist deutlich größer als gewöhnliche mRNA, weshalb ihre Aufnahme in die Zelle möglicherweise anders erfolgt. Zur Verstärkung der Immunantwort können Adjuvantien wie MF59 oder TriMix eingesetzt werden. TriMix besteht aus mRNA von CD40L, CD70 und caTLR-4.

Die Herstellung erfolgt meistens durch In-vitro-Transkription, also die RNA-Produktion außerhalb lebender Zellen mithilfe einer Vorlage und einer RNA-Polymerase. Die RNA wird anschließend auf Stabilität, Unversehrtheit, Identität, Reinheit und Homogenität geprüft. Für die Aufnahme können basische Lipide in Liposomen, zellpenetrierende Peptide, Proteine, Protamin, kationische Polymere oder Gold-Nanopartikel mit etwa 80 nm Durchmesser verwendet werden.

Beim Impfstoff mRNA-1273 wird das kationische Lipid SM-102 verwendet, bei Tozinameran ALC-0315. Neutrale Helferlipide stabilisieren die Liposomen; bei Tozinameran gehört dazu unter anderem ALC-0159. Puffersubstanzen stabilisieren den pH-Wert. Beide Impfstoffe enthalten Saccharose als Frostschutzmittel, damit beim Einfrieren keine größeren Eiskristalle entstehen, die die RNA durch Scherkräfte fragmentieren könnten. Die EU veröffentlichte 2017 regulatorische Anforderungen für die Herstellung von RNA-Impfstoffen.

Entwicklungsprobleme und Vergleich

Eine wichtige Hürde ist die mögliche Überaktivierung der angeborenen Immunantwort. RNA kann unter anderem an Toll-like-Rezeptoren, darunter TLR 7, sowie an RIG-I und die Proteinkinase R binden. Dagegen werden Sequenzen verwendet, die von Säugetierzellen produzierten RNA-Molekülen ähneln. Modifizierte Nukleoside wie Pseudouridin, N1-Methylpseudouridin, 5-Methylcytidin und 2′-O-methylierte Nukleoside, außerdem Codon-Optimierung und geeignete UTR, können die unerwünschte Immunreaktion verringern und den RNA-Abbau verlangsamen.

Abgebrochene Transkripte, doppelsträngige RNA-Bruchstücke und RNA-Interferenz können die Wirkdauer verkürzen. Deshalb ist eine mehrstufige Reinigung nötig, um möglichst reine, einzelsträngige mRNA in der gewünschten Länge zu erhalten. Doppelsträngige RNA kann beispielsweise durch Adsorption an Cellulose entfernt werden. Bestimmte Aufreinigungsverfahren wie Fast Protein Liquid Chromatography (FPLC) können die Translation und damit die Wirksamkeit steigern. Da vermutlich der größte Teil der aufgenommenen RNA nicht aus den Endosomen ins Zytosol gelangt, sondern abgebaut wird, soll außerdem die Transfektionseffizienz verbessert werden. Extrazelluläre RNA kann die Gefäßdurchlässigkeit und Blutgerinnung beeinflussen und dadurch Ödeme oder Thrombenbildung begünstigen.

Im Gegensatz zu DNA-Impfstoffen müssen RNA-Impfstoffe nicht in den Zellkern gelangen und sind nicht von Transkription abhängig. Es besteht keine Gefahr einer Insertion in die genomische DNA und es gibt keine Hinweise auf Erbgutschädigungen durch diesen Mechanismus. Im Gegensatz zur Gentherapie verändern sie die DNA der Körperzellen nicht. RNA wird durch allgegenwärtige RNasen rasch abgebaut; ein dauerhafter Verbleib der Impf-RNA in der Zelle ist daher ausgeschlossen. Anders als attenuierte Impfstoffe können RNA-Impfstoffe nicht durch Rückmutation wieder zu einem Krankheitserreger werden, weil nur getrennte Erregerfragmente verwendet werden. Sie lassen sich vergleichsweise schnell entwickeln, in großen Mengen herstellen und kostengünstig produzieren. Anders als virale Vektoren erzeugen RNA-Lipid-Nanopartikel keine Vektorimmunität. Im Vergleich zu Tot-, Untereinheiten- und Peptidimpfstoffen wird das Antigen erst in der Zielzelle gebildet, wodurch sowohl humorale als auch zelluläre Immunantworten entstehen können. Nebenwirkungen werden im Artikel im Wesentlichen mit Verunreinigungen aus dem Herstellungsverfahren in Verbindung gebracht, die möglichst weiter verringert werden sollen.

Entwicklung, Anwendungen und Zulassung

Die wissenschaftliche Grundlage entstand schrittweise: 1961 beschrieben Sydney Brenner, François Jacob und Matthew Meselson mRNA als Überträger der Information für die Proteinbiosynthese. 1971 gelang es Charles Daniel Lane und Kollegen, RNA aus Kaninchen-Retikulozyten in Froscheizellen einzubringen. 1978 wurde gezeigt, dass mRNA in Liposomen von Zellen aufgenommen werden kann und in menschliche Zellen transportierbar ist. 1989 wurde die Einschleusung von mRNA mithilfe kationischer Lipide beschrieben; 1990 gelang die Aufnahme in vitro erzeugter RNA ohne Transfektionsreagenz. Das erste RNA-basierte Arzneimittel, Patisiran, wurde 2018 in Europa durch die EMA und in den USA durch die FDA zugelassen.

1993 und 1994 wurden RNA-Impfungen bei Mäusen beschrieben. 1993 wurde eine zelluläre Immunantwort und 1995 zusätzlich eine humorale Immunantwort nachgewiesen. Danach wurden zahlreiche Verabreichungswege untersucht, darunter intramuskuläre, subkutane, intradermale, intravenöse, intranodale und intrasplenale Injektionen sowie Genkanonen und Mikronadelanordnungen. Ab 2002 bis 2003 folgten erste klinische Studien mit ex vivo mit mRNA beladenen dendritischen Zellen zur Krebsimmuntherapie. 2005 zeigten Katalin Karikó und Drew Weissman, dass nukleosid-modifizierte RNA die angeborene Immunantwort weniger stark überaktiviert. 2017 nahm die Weltgesundheitsorganisation RNA-Impfstoffe als neue Wirkstoffklasse auf.

Die COVID-19-Pandemie führte zum Durchbruch. Tozinameran von BioNTech/Pfizer erreichte 2020 als weltweit erster RNA-Impfstoff die Marktreife und wurde zur Impfung von Menschen zugelassen; danach folgte Modernas mRNA-1273. Beide Impfstoffe erhielten 2020 in den USA eine EUA, also eine Notfallzulassung. Der RSV-Impfstoff mResvia von Moderna mit dem Wirkstoff mRNA-1345 wurde im Mai 2024 in den USA und im August 2024 in der EU für Personen ab 60 Jahren zur Vorbeugung von durch RSV verursachten Erkrankungen der unteren Atemwege zugelassen. Er codiert die präfusionsstabilisierte Form des F-Glykoproteins.

Weitere RNA-Impfstoffe werden gegen Influenza, Tollwut und Krebs untersucht. Bei Influenza soll die Bildung vermehrungsfähiger Virusnachkommen verhindert und das Immunsystem auf künftige Varianten vorbereitet werden. Der Tollwutkandidat CV7201 sowie RABV-G-mRNA werden untersucht; präklinische Studien mit lipidverkapselter RABV-G-mRNA zeigten bei Mäusen und nichtmenschlichen Primaten verbesserte Reaktionen. Krebsimpfstoffe wie mRNA-4157/V940 befinden sich noch in frühen klinischen Prüfungsphasen, ihr Nutzen bei derzeit nicht therapierbaren Krebserkrankungen ist noch nicht bewiesen. Auch therapeutische Anwendungen und der Veterinärbereich werden erforscht, etwa gegen HIV, CMV, HPV, Maul-und-Klauenseuche, Tollwut bei Hunden und das Hirschzecken-Powassan-Virus.

RNA-Impfstoffe sind in der EU und im Europäischen Wirtschaftsraum moderne biomedizinische Arzneimittel und werden zentralisiert über die EMA und die Europäische Kommission zugelassen. Zwei Mitgliedstaaten übernehmen dabei die federführende Bearbeitung. RNA-Impfstoffe gegen Infektionskrankheiten gelten nach Anhang I, Teil IV, Abschnitt 2.1 der Richtlinie 2001/83/EG nicht als Gentherapeutika.