MEDIZIN EDITORIAL
Impfung
mit reiner Nukleinsäure
Revolution in der Impfstoffentwicklung?
Klaus J. Wiegers Hans-Georg Kräusslich
I
mpfung gegen virale Infektionskrankheiten hat eine lange Tradition, weit länger als unsere Kenntnis von Viren als Krankheitserreger. Über 1000 Jahre zurückliegende Berichte erzählen von Versuchen, bei denen Gesunde mit Flüssigkeit aus Bläschen Erkrankter inokuliert wurden. Die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit der Im- munisierung gegen Viren begann mit Edward Jen- ner im späten 18. Jahrhundert. Er zeigte, daß Imp- fung mit dem Erreger der Kuhpocken der tödlichen Pockenkrankheit vorbeugen kann, und legte den Grundstein für die Verwendung abgeschwächter le- bender Viren als Vakzine Im 19. und frühen 20.Jahrhundert wurden attenuierte Viren oder inakti- vierte Viren aus infiziertem Gewebe als Impfstoffe gegen weitere Infektionskrankheiten des Men- schen entwickelt (wie zum Beispiel Gelbfieber, Tollwut).
Eine Revolution in der Impfstoffentwicklung erfolgte mit der Etablierung der Zellkultur Ende der 40er Jahre dieses Jahrhunderts, die eine weit einfa- chere Vermehrung von Viren ermöglichte. In der fol- genden zweiten Epoche der Vakzineentwicklung wurden noch heute gebräuchliche Lebendimpfstoffe (beispielsweise Polio-, Masern-, Mumps- und Rö- telnviren) entwickelt. In einer dritten Epoche wur- den nicht mehr komplette Viren. sondern einzelne Bestandteile des Virus, in der Regel gereinigte Hüll- proteine, zur Impfung verwendet („Subunit-Vakzi- ne"). Konsequente Weiterentwicklung dieser Strate- gie war der erste gentechnisch hergestellte Impfstoff gegen das Hepatitis-B-Virus (HBV). Erst damit wur- de eine flächendeckende Impfung gegen HBV mög- lich, wobei zusätzlich die Impfstoffsicherheit erheb- lich verbessert wurde.
Eine vierte Epoche der Impfstoffentwicklung könnte jetzt mit der Verwendung von Segmenten viraler Nukleinsäuren als Impfstoff eingeleitet wer- den. Diese sogenannte DNA-Vakzine wird im fol- genden Beitrag von Karin Mölling (3) vorgestellt.
Bei der DNA-Vakzinierung werden nicht mehr komplette Viren oder virale Proteine inokuliert, sondern ein Teil der genetischen Information des Virus wird als nackte unbehüllte Nukleinsäure in- tramuskulär injiziert. Im Muskel wird ein geringer
Anteil der DNA in RNA und Protein übersetzt, und antivirale Antikörper wie auch CD8-positive T-Zellen werden durch endogen synthetisierte vira- le Proteine induziert (6,8).
Diese In-vivo-Synthese einzelner viraler Anti- gene erhält die Vorteile attenuierter Lebendimpf- stoffe, ohne das Risiko infektiöser Komplikationen zu haben. Das Konzept ist verblüffend einfach und bietet doch ein großes Potential. Zwar ist der ge- naue Mechanismus noch unklar, doch zeigt die An- wendung im Tierversuch erste vielversprechende Ergebnisse, und Studien am Menschen wurden be- gonnen.
Vorteile der DNA-Vakzine
So früh in der Entwicklung der DNA-Vakzine wir derzeit auch sind, so kann doch vorhergesagt werden, daß sie erhebliche Bedeutung für zukünfti- ge Impfstoffe haben wird und Nukleinsäure-Vakzi- nen in einigen Jahren den Weg in die praktische An- wendung finden sollten. Versuche an der Maus zeig- ten längerfristige Expression injizierter Gene und, für das Influenzavirus, zumindestens eine teilweise Protektion gegen den tödlichen Erreger noch Mona- te nach der Impfung (5,7). Entscheidender Vorteil der DNA-Vakzine ist die einfache und schnelle Her- stellung jeder benötigten DNA-Sequenz in ausrei- chender Menge mit gentechnischen Methoden. Dies sollte die Impfstofftestung beschleunigen und zu er- heblicher Kostensenkung führen. Weiterhin kann ein Cocktail verschiedener Sequenzen als polyvalen- ter Impfstoff gegen unterschiedliche Serotypen ge- mischt werden. Infolge der Stabilität von DNA ist Lagerung und Transport der Impfstoffe auch bei Un- terbrechung der Kühlkette möglich. Neben diesen Vorteilen lassen sich derzeit keine echten Nachteile der DNA-Vakzine erkennen. Erwähnt werden soll- te, daß die Inokulation parenteral erfolgen muß.
Revolutionär ist DNA-Vakzine in der Entwick- lung und Herstellung des Impfstoffs, wohingegen die Induktion der Immunantwort sich nicht von der durch andere Impfstoffe vermittelten Immunantwort unterscheidet. Inwieweit neben einfacher Herstel- A-2898 (44) Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 43, 27. Oktober 1995
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lung und Stabilität von DNA weitere Vorteile ge- genüber anderen in der Entwicklung befindlichen Impfkonzepten, wie zum Beispiel gentechnisch ver- änderten Impfviren oder Protein- und Lipidpartikeln als Träger antigener Epitope bestehen, kann im Au- genblick nicht abschließend beurteilt werden. In je- dem Fall sollten die Vorteile der DNA-Vakzine zu ih- rer Anwendung in Medizin und Tiermedizin führen, auch wenn ihre tatsächliche Wirksamkeit in vielen Fällen noch zu beweisen ist und weiterhin Bedarf für alternative Impfstrategien besteht.
Ohne Zweifel kann die Kontrolle viraler Infek- tionskrankheiten am besten durch Impfung er- reicht werden. Derzeit ist sowohl die Verbesserung bestehender als auch die Entwicklung neuer Impf- stoffe ein vorrangiges Problem medizinischer For- schung. Schutz vor Erkrankung wird in der Regel durch neutralisierende Antikörper und durch die zellvermittelte Immunantwort bewirkt, wobei at- tenuierte Viren und DNA-Vakzine beide Arme des Immunsystems induzieren. In der Regel spielen nur ein oder wenige antigene Epitope eine Rolle. Des- halb ist bei Viren, die die Antigenität ihrer Ober- flächenproteine stetig verändern (zum Beispiel In- fluenzaviren) eine ständige Anpassung der Vakzine notwendig. Anders ist die Situation zum Beispiel bei HBV, bei dem nur ein Serotyp existiert und des- halb von vornherein gute Voraussetzungen für die Entwicklung einer „Subunit-Vakzine" vorlagen.
DNA-Vakzine
undAIDS
Eine besondere Rolle in der Impfstoffentwick- lung kommt der Herstellung einer Vakzine gegen den AIDS-Erreger HIV zu. Im Gegensatz zu den vorherigen Beispielen ergeben sich jedoch einige Fragezeichen, da HIV im Vergleich zu anderen Vi- rusinfektionen in mehrfacher Hinsicht ungewöhn- lich ist: akute Infektion induziert sowohl die Bil- dung neutralisierender Antikörper als auch eine robuste T-Zell-Antwort, die längerfristig erhalten bleiben. Trotz dieser Immunantwort schreitet die Krankheit fort und führt zur Zerstöung des Im- munsystems. Probleme bei der Kontrolle der HIV- Infektion liegen in der enormen Hypervariabilität der Oberfläche, in der Integration viraler Nukle- insäuren in das Wirtszellgenom, in der Sequestrie- rung in immunologisch inkompetenten Komparti- menten und in der Ausbreitung durch infizierte Zellen.
Obwohl homologe neutralisierende Antikör- per eine Infektion mit zellfreiem Virus in Zellkul- tur verhindern können, wird aus den genannten Gründen der T-Zell-Antwort eine besondere Be- deutung beigemessen.
Sowohl für das Verständnis der Pathogenese als auch für die Impfstoffentwicklung problema- tisch ist daher das scheinbare Versagen der T-Zell- Antwort bei der Kontrolle der HIV-Infektion, ob-
wohl Infizierte zirkulierende T-Zellen spezifisch für HIV-Epitope aufweisen (4). Daneben gibt es bis heute keinen eindeutigen Beweis, daß Selekti- on von Varianten, die nicht mehr Ziel für HIV-spe- zifische T-Zellen sind, für Progredienz und Patho- genese von AIDS notwendig ist (1). Wenn jedoch eine Änderung der Epitope für das Virus nicht er- forderlich ist, muß zumindestens ein Teil der infi- zierten und Virus produzierenden Zellen in vivo vor der Immunantwort geschützt sein. Dement- sprechend muß auch die Wirkung einer Vakzine- induzierten humoralen und zellulären Antwort mit Vorsicht beurteilt werden. Weiterhin sollte berück- sichtigt werden, daß Impfung in der Regel nicht die Infektion mit dem pathogenen Virus verhindert, sondern durch die anamnestische Reaktion des Im- munsystems die weitere Ausbreitung der Infektion blockiert wird. Bei HIV führt jedoch bereits die in- itiale Infektion zur Integration des viralen Genoms und damit möglicherweise zu latent infizierten Zel- len, die sich der immunologischen Überwachung entziehen.
Diese Argumente sprechen nicht gegen den Versuch einer DNA-Vakzinierung gegen HIV, be- deuten aber, daß ein Erfolg nicht sicher vorherge- sagt werden kann. Experimente am Affen legen nahe, daß ein Schutz vor HIV durch attenuiertes Lebendvirus möglich ist (2).
Doch ist ein derartiger Ansatz beim Menschen aus Sicherheitsgründen kaum vorstellbar. Wenn at- tenuierte Viren Protektion vermitteln, so sollte ein Impfschutz auch auf anderem Weg erreichbar sein, und DNA-Vakzinierung stellt hier einen attrakti- ven Ansatz dar. Hinweise auf das Potential der DNA-Impfung gegen HIV sollten aus derzeit lau- fenden Tierversuchen mit dem Immundefizienzvi- rus des Affen ableitbar sein.
Resümee
Insgesamt hat die Vakzinierung mit DNA of- fensichtliche Vorteile gegenüber anderen Konzep- ten, wenngleich man berücksichtigen muß, daß Pro- tektion bisher nur gegen Influenzavirus und auch dort nur teilweise und in artifiziellen Systemen gezeigt wurde. Besonders attraktiv ist dieser An- satz bei Viren mit begrenzter Typenvielfalt, bei de- nen Schutz durch neutralisierende Antikörper und/oder T-Zellen möglich ist. Im Gegensatz dazu stehen Viren, gegen die mit konventionellen Me- thoden bisher keine hinreichenden Impfungen ent- wickelt werden konnten, wie zum Beispiel HIV.
Zum jetzigen Zeitpunkt ist DNA-Vakzine ein Hoff- nungssignal bei der Bekämpfung viraler Infektions- krankheiten. Andererseits ist die Annahme, daß dieses Impfkonzept in wenigen Jahren zur sicheren und effektiven Impfung gegen AIDS führen wird, verfrüht und möglicherweise nicht zutreffend. Es gibt jeden Grund, den vielversprechenden Auf- Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 43, 27. Oktober 1995 (47) A-2901
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bruch in die Zukunft der Impfstoffentwicklung mit aller Energie zu verfolgen, ohne deshalb in voreili- ge Euphorie zu verfallen. Das wirkliche Potential dieser neuen Methode zur Impfung gegen Infekti- onskrankheiten muß sich in der praktischen An- wendung erst noch erweisen.
Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebi 1995; 92: A-2898-2902 [Heft 43]
Literatur:
1. Bevan MJ, Braciale TJ: Why can't cytotoxic T cells handle HIV? Proc Natl Acad Sci USA 1995; 92: 5765-5767
2. Daniel MD, Kirchhoff F, Czajak SC, Sehgal PK, Desrosiers RC: Protective effects of a live attenuated SIV vaccine with a deletion in the nef gene. Science 1992; 258: 1938-1941 3. Mölling K: Nackte DNA aus der Impfpistole. Dt. Ärzteblatt
1995, 92: 2902-2912
4. Moss PAH, Rowland-Jones SL, Frodsham PM et al: Persistent high frequency of human immunodeficiency virus-specific cytotoxic T cells in peripheral blood of infected donors. Proc Natl Acad Sci USA 1995; 92: 5773-5777
5. Robinson HL, Hunt LA, Webster RG: Protection against a le- thal influenza virus challenge by immunization with a haemag- glutinin-expressing plasmid DNA. Vaccine 1993; 11: 957-960 6. Tang DC, DeVit M, Johnston SA: Genetic immunization is a
simple method for eliciting an immune response. Nature 1992;
356: 152-154
7. Ulmer JB, Donnelly JJ, Parker SE et al: Heterologous protec- tion against influenza by injection of DNA encoding a viral protein. Science 1993; 259: 1745-1749
8. Wolff JA, Malone RW, Williams P et al: Direct gene transfer into mouse muscle in vivo. Science 1990; 247: 1465-1468
Anschrift der Verfassen
Dr. med. Klaus J. Wiegers
Prof. Dr. med. Hans-Georg Kräusslich Abteilung für Zellbiologie und Virologie
Heinrich-Pette-Institut für experimentelle Virologie und Immunologie an der Universität Hamburg Martinistraße 52,20251 Hamburg
Nackte DNA
Karin Mölling aus der Impfpistole
Z
uerst glaubte man an eine Ver- wechslung: Bei einem Versuch, DNA in ein Tier zu spritzen, verhüllte man die DNA in eine Lipidschicht zum Schutz gegen den Abbau durch Nukleasen. Zur Kon- trolle wurde die DNA jedoch auch ohne Liposomen injiziert, als nackte DNA. Das Ergebnis schien falsch her- um, denn die nackte DNA, von der man erwartet hatte, daß sie zerstört würde, war biologisch wirksamer als die in Liposomen verpackte DNA.Wolff und Kollegen führten dieses Experiment 1990 durch und mußten es wiederholen, um es zu glauben (9).
Seit Gentechniker imstande sind, Gene zu zerlegen und neu aneinander zu fügen, haben sie ein Problem: wie bringt man Gene in die Zelle? Die Na- tur hat im Laufe der Evolution in Ge- stalt der Viren einen Weg entwickelt, dieses Transportproblem zu bewälti- gen. Im Virus wird die DNA mit Pro- teinen abgedeckt, die eine energetisch günstige symmetrische Struktur ein- nehmen können, zum Beispiel Ikosa- eder. Die Proteine lagern sich zu fünf- und sechseckigen Strukturen zusam- men. Elektronenmikroskopische Auf-
nahmen erinnern an Fußbälle, welche aus fünf- und sechseckigen Leder- flecken zusammengesetzt sind.
Manchmal tragen Viren darüber noch eine Hülle, die aus denselben Be- standteilen zusammengesetzt ist wie die Zellenmembran. Die oben ge- nannten Liposomen entsprechen sol- chen viralen Lipidhüllen.
Viren als Träger von Therapiegenen
Viren als Träger von krankheits- erregenden Genen werden nun von den Molekularbiologen umgewandelt in Vehikel für Therapiegene. Beson- ders Retroviren kommen dabei zum Einsatz. Sie sind — wenn auch nicht absolut ungefährliche — Varianten des AIDS-Erregers HIV. In den USA werden zur Zeit etwa sechzig Genthe- rapieprojekte mit Retroviren durch- geführt. Viren werden gentechnisch ausgeschlachtet und mit Therapiege- Institut für Medizinische Virologie (Direktor:
Prof. Dr. rer. nat. Karin Mölling) der Univer- sität Zürich
nen neu gefüllt, beispielsweise gegen Krebs oder ererbte Gendefekte wie die Zystische Fibrose, oder gegen Vi- rusinfektionen wie AIDS. Man ver- sucht, die Natur mit ihren eigenen Waffen zu schlagen, mit Viren gegen Viren oder mit Viren gegen Krebs.
Das Experiment von Wolff und Mitarbeitern wies neue Wege, da Gen- transfer viel einfacher zu sein schien als erwartet: nackte DNA genügt. Bei genauerer Analyse zeigte sich, daß DNA, in die Muskeln gespritzt, über Monate hinweg nachweisbar ist. Aus Laborexperimenten hätte man nicht erwartet, daß die DNA ohne weitere Tricks stabil genug sein würde, um von Muskelzellen aufgenommen zu wer- den und auch noch in RNA und Pro- teine übersetzt zu werden. Der Ein- fachheit halber verwendeten Wolff und Kollegen ein Gen, dessen Pro- dukt eine Blaufärbung hervorrufen kann — ein äußerst empfindlicher Test.
Noch nach Monaten konnte in den be- handelten Muskelzellen der blaue Farbumschlag des ß-Galaktosidase- Enzyms nachgewiesen werden.
Das Experiment von Wolff et al.
imitiert eine Virusinfektion: virale A-2902 (48) Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 43, 27. Oktober 1995
