Arten von Impfstoffen

Impfstoffe lassen sich in verschiedene Arten unterteilen, funktionieren aber letztlich nach demselben Prinzip. Sie regen das Immunsystem an, einen Erreger (einen krankmachenden Organismus) oder einen Teil eines Erregers zu erkennen. Ist das Immunsystem erst einmal darauf trainiert, diesen Erreger zu erkennen, wird er aus dem Körper entfernt, wenn der Körper später mit ihm in Kontakt kommt. Insbesondere erkennt das Immunsystem fremde „Antigene“, d. h. Teile des Erregers auf der Oberfläche oder im Inneren des Erregers, die normalerweise nicht im Körper vorkommen.

Ganzerreger-Impfstoffe

Die älteste und bekannteste Methode der Impfung besteht darin, den gesamten krankheitsverursachenden Erreger in einem Impfstoff zu verwenden, um eine Immunreaktion hervorzurufen, die derjenigen bei einer natürlichen Infektion ähnelt. Die Verwendung des Erregers in seinem natürlichen Zustand würde eine aktive Krankheit auslösen und könnte für die Person, die geimpft wird, gefährlich sein und das Risiko bergen, dass die Krankheit auf andere übergreift. Um dies zu vermeiden, verwenden moderne Impfstoffe veränderte Erreger.

Abgeschwächte Lebendimpfstoffe

Abgeschwächte Lebendimpfstoffe enthalten ganze Bakterien oder Viren, die so „abgeschwächt“ (attenuiert) wurden, dass sie eine schützende Immunreaktion hervorrufen, aber bei gesunden Menschen keine Krankheit verursachen. Bei den meisten modernen Impfstoffen wird diese „Schwächung“ durch eine genetische Veränderung des Erregers erreicht, entweder als natürliches Phänomen oder als eine von Wissenschaftlern speziell eingeführte Veränderung.

Lebendimpfstoffe erzeugen in der Regel eine starke und dauerhafte Immunreaktion und gehören zu unseren besten Impfstoffen. Lebendimpfstoffe eignen sich jedoch nicht für Menschen, deren Immunsystem nicht funktioniert, entweder aufgrund einer medikamentösen Behandlung oder einer Grunderkrankung. Das liegt daran, dass sich die geschwächten Viren oder Bakterien in manchen Fällen zu stark vermehren und bei diesen Menschen Krankheiten auslösen könnten.

Im britischen Impfplan verwendete abgeschwächte Lebendimpfstoffe:

• Rotavirus-Impfstoff
• MMR-Impfstoff
• Nasengrippe-Impfstoff
• Gürtelrose-Impfstoff
• Windpocken Impfstoff (nur für spezielle Gruppen)
• BCG-Impfstoff gegen Tuberkulose (nur für spezielle Gruppen)

Im Vereinigten Königreich verwendete Reiseimpfstoffe:

• Gelbfieberimpfstoff
• Oraler Typhusimpfstoff (nicht der injizierte Impfstoff)

Inaktivierte Impfstoffe

Inaktivierte Impfstoffe enthalten ganze Bakterien oder Viren, die abgetötet oder so verändert wurden, dass sie sich nicht vermehren können. Da inaktivierte Impfstoffe keine lebenden Bakterien oder Viren enthalten, können sie die Krankheiten, gegen die sie schützen, auch bei Menschen mit stark geschwächtem Immunsystem nicht auslösen. Allerdings lösen inaktivierte Impfstoffe nicht immer eine so starke oder lang anhaltende Immunreaktion aus wie abgeschwächte Lebendimpfstoffe.

‚Abgetötete‘ Vollimpfstoffe, die im britischen Impfplan verwendet werden:

• Inaktivierter Polioimpfstoff oder IPV (im 6-in-1-Impfstoff, in der Vorschulauffrischung, Auffrischungsimpfstoff für Teenager und Keuchhustenimpfstoff in der Schwangerschaft)
• Einige inaktivierte Grippeimpfstoffe, die als „split virion“
• Hepatitis-A-Impfstoff (nur für spezielle Gruppen)

Beispiele für „whole killed“-Reiseimpfstoffe, die im Vereinigten Königreich verwendet werden:

• Rabies-Impfstoff
• Impfstoff gegen Japanische Enzephalitis

Untereinheiten-Impfstoffe

Die meisten Impfstoffe im britischen Impfplan sind Untereinheiten-Impfstoffe, die überhaupt keine ganzen Bakterien oder Viren enthalten. Stattdessen enthalten diese Impfstoffe in der Regel ein oder mehrere spezifische Antigene (oder „Flaggen“) von der Oberfläche des Krankheitserregers. Der Vorteil von Subunit-Impfstoffen gegenüber Impfstoffen mit ganzen Erregern besteht darin, dass sich die Immunantwort auf die Erkennung einer kleinen Anzahl von Antigenzielen („Flags“) konzentrieren kann.

Untereinheiten-Impfstoffe rufen nicht immer eine so starke oder lang anhaltende Immunreaktion hervor wie abgeschwächte Lebendimpfstoffe. Sie erfordern in der Regel zunächst wiederholte Dosen und in den Folgejahren Auffrischungsdosen. Untereinheit-Impfstoffen werden häufig Adjuvantien zugesetzt. Dabei handelt es sich um Stoffe, die dazu beitragen, die Immunreaktion auf den Impfstoff zu verstärken und zu verlängern. Infolgedessen können häufige lokale Reaktionen (z. B. ein schmerzender Arm) bei diesen Arten von Impfstoffen deutlicher und häufiger auftreten.

Rekombinante Protein-Impfstoffe

Rekombinante Impfstoffe werden unter Verwendung von Bakterien- oder Hefezellen hergestellt. Ein kleines Stück DNA wird dem Virus oder Bakterium entnommen, gegen das wir uns schützen wollen, und in die Produktionszellen eingefügt. Zur Herstellung des Hepatitis-B-Impfstoffs wird beispielsweise ein Teil der DNA des Hepatitis-B-Virus in die DNA von Hefezellen eingefügt. Diese Hefezellen sind dann in der Lage, eines der Oberflächenproteine des Hepatitis-B-Virus zu produzieren, das dann gereinigt und als Wirkstoff für den Impfstoff verwendet wird.

Die meisten Impfstoffe im britischen Impfplan sind Subunit-Impfstoffe, die überhaupt keine ganzen Bakterien oder Viren enthalten. („azellulär“ bedeutet „keine ganzen Zellen enthaltend“). Stattdessen enthalten diese Art von Impfstoffen Polysaccharide (Zucker) oder Proteine von der Oberfläche von Bakterien oder Viren. Diese Polysaccharide oder Proteine sind die Teile, die unser Immunsystem als „fremd“ erkennt, und sie werden als Antigene bezeichnet. Auch wenn der Impfstoff nur einige wenige der Tausenden von Proteinen eines Bakteriums enthält, reichen sie aus, um eine Immunreaktion auszulösen, die vor der Krankheit schützen kann.

Rekombinante Impfstoffe, die im britischen Impfplan verwendet werden:

• Hepatitis-B-Impfstoff (im 6-in-1-Impfstoff und als separater Hepatitis-B-Impfstoff)
• HPV-Impfstoff
• MenB-Impfstoff. Dieser enthält Proteine von der Oberfläche von Meningokokken-Bakterien. Drei der Proteine werden mit Hilfe rekombinanter Technologie hergestellt.

Toxoid-Impfstoffe

Einige Bakterien setzen Toxine (giftige Proteine) frei, wenn sie den Körper angreifen, und es sind die Toxine und nicht die Bakterien selbst, gegen die wir geschützt werden wollen. Das Immunsystem erkennt diese Toxine auf die gleiche Weise wie andere Antigene auf der Oberfläche der Bakterien und ist in der Lage, eine Immunreaktion gegen sie auszulösen. Einige Impfstoffe werden mit inaktivierten Versionen dieser Toxine hergestellt. Sie werden „Toxoide“ genannt, weil sie wie Toxine aussehen, aber nicht giftig sind. Sie lösen eine starke Immunreaktion aus.

Toxoid-Impfstoffe, die im britischen Impfplan verwendet werden:

• Diphtherie-Impfstoff (im 6-in-1-Impfstoff, in der Auffrischungsimpfung für Vorschulkinder, in der Auffrischungsimpfung für Jugendliche und im Keuchhusten-Impfstoff in der Schwangerschaft)
• Tetanus-Impfstoff (im 6-in-1-Impfstoff, Vorschul-Booster, Teenager-Booster und Keuchhustenimpfstoff in der Schwangerschaft)
• Keuchhustenimpfstoff (im 6-in-1-Impfstoff, Vorschul-Booster und Keuchhustenimpfstoff in der Schwangerschaft). Er enthält Pertussis-Toxoid zusammen mit Proteinen von der Oberfläche des Keuchhustenbakteriums. Er wird oft als „azellulärer“ Impfstoff bezeichnet.

Konjugatimpfstoffe

„Konjugat“ bedeutet „verbunden“ oder „zusammengefügt“. Bei einigen Bakterien muss man das Immunsystem darauf trainieren, auf Polysaccharide (komplexe Zucker auf der Oberfläche der Bakterien) statt auf Proteine zu reagieren, um einen Impfschutz zu erhalten. In den Anfängen der Polysaccharid-Impfstoffe stellte man jedoch fest, dass sie bei Säuglingen und Kleinkindern nicht gut wirken.

Forscher entdeckten, dass sie viel besser wirken, wenn das Polysaccharid mit etwas anderem verbunden (konjugiert) wird, das eine starke Immunreaktion hervorruft. In den meisten Konjugatimpfstoffen ist das Polysaccharid an ein Diphtherie- oder Tetanus-Toxoid-Protein gebunden (siehe oben „Toxoid-Impfstoffe“). Das Immunsystem erkennt diese Proteine sehr leicht, was dazu beiträgt, eine stärkere Immunreaktion auf das Polysaccharid zu erzeugen.

Auf Produktinformationsblättern wird das Diphtherietoxoid oft als „CRM197-Trägerprotein“ bezeichnet, weil es dem Diphtherietoxoid fast, aber nicht ganz gleicht.

Konjugatimpfstoffe, die im britischen Impfplan verwendet werden:

• Hib-Impfstoff (im 6-in-1-Impfstoff und Hib/MenC-Impfstoff), der ein mit Tetanustoxoid verbundenes Polysaccharid enthält
• MenC-Impfstoff (im Hib/MenC-Impfstoff), der ein mit Tetanustoxoid verbundenes Polysaccharid enthält
• PCV (Pneumokokkenimpfstoff für Kinder), der Polysaccharide von der Oberfläche von 13 Arten von Pneumokokken verursachenden Bakterien in Verbindung mit Diphtherietoxoid (CRM197)
• MenACWY enthält, der Polysaccharide von der Oberfläche von vier Bakterientypen enthält, die eine Meningokokkenerkrankung verursachen, verbunden mit Diphtherie- oder Tetanustoxoid

Es gibt auch einen Konjugatimpfstoff gegen Typhus, den so genannten Typhoid-Konjugatimpfstoff (TCV). Dieser Impfstoff hat sich in einer von der Oxford Vaccine Group geleiteten Studie als wirksam erwiesen und wird von der WHO zum Schutz von Kindern vor Typhus in endemischen Regionen wie Nepal und Bangladesch empfohlen.

Virusähnliche Partikel

Virusähnliche Partikel (VLPs) sind Moleküle, die Viren sehr ähnlich sind, aber nicht infektiös sind, da sie kein virales genetisches Material enthalten. Sie können natürlich vorkommen oder durch die individuelle Expression viraler Strukturproteine synthetisiert werden, die sich dann selbst zu einer virusähnlichen Struktur zusammenfügen können. In einigen Fällen sind die Antigene in einem VLP-Impfstoff die viralen Strukturproteine selbst. Alternativ können die VLPs so hergestellt werden, dass sie auf ihrer Oberfläche Antigene eines anderen Erregers oder sogar mehrerer Erreger auf einmal präsentieren. Da jedes VLP mehrere Kopien eines Antigens auf seiner Oberfläche hat, ist es wirksamer bei der Stimulierung einer Immunreaktion als eine einzelne Kopie. In einigen Fällen können die Strukturproteine des VLP als Adjuvans wirken und dazu beitragen, die Immunreaktion auf das primäre Zielantigen zu verstärken.

Eine Handvoll Impfstoffe auf VLP-Basis werden derzeit weltweit eingesetzt:

• Hepatitis-B-Impfstoff
• HPV-Impfstoff

OMV-Impfstoffe

Outer Membrane Vesicles (OMVs) werden natürlicherweise von Bakterien produziert und sind im Wesentlichen ein Bläschen der bakteriellen äußeren Zellmembran. Sie enthalten viele der Antigene, die auf der Zellmembran zu finden sind, sind aber nicht infektiöse Partikel. Im Labor können diese OMVs aus Bakterien geerntet werden, um sie als Impfstoffe zu verwenden. Die OMVs können auch so modifiziert werden, dass toxische Antigene entfernt werden und Antigene erhalten bleiben, die zur Stimulierung einer Immunreaktion geeignet sind. OMVs wirken auch auf natürliche Weise als Adjuvans. Da es sich um eine neuere Impfstofftechnologie handelt, gibt es nur wenige zugelassene Beispiele:

• MenB-Impfstoff (Meningokokken-B-Impfstoff)

Nukleinsäure-Impfstoffe

Nukleinsäure-Impfstoffe funktionieren anders als andere Impfstoffe, da sie dem Körper nicht das Protein-Antigen zuführen. Stattdessen geben sie die genetischen Anweisungen des Antigens an die Zellen im Körper weiter, die ihrerseits das Antigen produzieren, was eine Immunreaktion auslöst. Nukleinsäureimpfstoffe sind schnell und einfach zu entwickeln und bieten ein großes Potenzial für die Entwicklung künftiger Impfstoffe.

RNA-Impfstoffe

RNA-Impfstoffe verwenden mRNA (Boten-RNA) innerhalb einer Lipidmembran (Fett). Diese Fetthülle schützt die mRNA, wenn sie zum ersten Mal in den Körper gelangt, und hilft ihr auch, in die Zellen zu gelangen, indem sie mit der Zellmembran verschmilzt. Sobald sich die mRNA in der Zelle befindet, wird sie von den Maschinen in der Zelle in das Antigenprotein umgewandelt. Diese mRNA bleibt in der Regel einige Tage bestehen, aber in dieser Zeit wird genügend Antigen gebildet, um eine Immunreaktion auszulösen. Danach wird es auf natürliche Weise vom Körper abgebaut und entfernt. RNA-Impfstoffe sind nicht in der Lage, sich mit dem menschlichen genetischen Code (DNA) zu verbinden.

Es gibt derzeit zwei RNA-Impfstoffe, die im Vereinigten Königreich für die Notfallbehandlung zugelassen sind. Der Pfizer BioNTech und der Moderna COVID-19 Impfstoff sind beides RNA-Impfstoffe.

DNA-Impfstoffe

DNA ist stabiler als mRNA und erfordert daher nicht den gleichen Anfangsschutz. DNA-Impfstoffe werden in der Regel zusammen mit einer Technik namens Elektroporation verabreicht. Dabei werden schwache elektronische Wellen eingesetzt, damit die Körperzellen den DNA-Impfstoff aufnehmen können. Die DNA muss im Zellkern in mRNA übersetzt werden, bevor sie anschließend in Proteinantigene umgewandelt werden kann, die eine Immunreaktion auslösen.

Es gibt derzeit keine zugelassenen DNA-Impfstoffe, aber viele sind in der Entwicklung.

Virale vektorisierte Impfstoffe

Wie bei den Nukleinsäureimpfstoffen handelt es sich bei viralen vektorisierten Impfstoffen um eine neuere Technologie, bei der harmlose Viren verwendet werden, um den genetischen Code der Zielimpfstoff-Antigene an Körperzellen zu übermitteln, damit diese Proteinantigene produzieren können, die eine Immunreaktion auslösen. Virale Vektorenimpfstoffe werden in Zelllinien gezüchtet und können schnell und einfach in großem Maßstab entwickelt werden. Virale Vektorenimpfstoffe sind in den meisten Fällen wesentlich kostengünstiger herzustellen als Nukleinsäureimpfstoffe und viele Untereinheitenimpfstoffe.

Replizierende

Replizierende virale Vektoren behalten die Fähigkeit, neue virale Partikel zu bilden, während sie gleichzeitig das Impfstoffantigen liefern, wenn sie als Impfstoffverabreichungsplattform verwendet werden. Wie bei abgeschwächten Lebendimpfstoffen gegen ganze Krankheitserreger hat ein replizierendes Virus den Vorteil, dass es im Vergleich zu nicht-replizierenden Impfstoffen über einen längeren Zeitraum eine kontinuierliche Quelle von Impfstoffantigenen bereitstellen kann und daher wahrscheinlich eine stärkere Immunantwort hervorruft. Ein einziger Impfstoff kann ausreichen, um Schutz zu bieten.

Replizierende virale Vektoren werden in der Regel so ausgewählt, dass die Viren selbst harmlos sind oder abgeschwächt werden, so dass sie, während sie den Wirt infizieren, keine Krankheit verursachen können. Da sich die Viren jedoch weiterhin vermehren, besteht bei diesen Impfstoffen ein erhöhtes Risiko für leichte Nebenwirkungen.

Ein Impfstoff zur Ebola-Prävention namens Ervebo (rVSV-ZEBOV) verwendet ein rekombinantes vesikuläres Stomatitis-Virus. Dieser Impfstoff wurde 2019 europaweit zugelassen und wurde bei mehreren Ebola-Ausbrüchen zum Schutz von über 90 000 Menschen eingesetzt. Der Impfstoff wurde in erster Linie bei der „Ringimpfung“ eingesetzt, bei der die engen Kontaktpersonen einer infizierten Person geimpft werden, um die Ausbreitung des Virus zu verhindern.

Nicht-replizierende

Nicht-replizierende virale Vektoren behalten nicht die Fähigkeit, neue Viruspartikel während des Prozesses der Abgabe des Impfstoffantigens an die Zelle zu bilden. Dies liegt daran, dass wichtige virale Gene, die das Virus zur Replikation befähigen, im Labor entfernt wurden. Dies hat den Vorteil, dass der Impfstoff keine Krankheiten auslösen kann und die mit der Replikation des viralen Vektors verbundenen unerwünschten Ereignisse reduziert werden. Allerdings kann das Impfstoffantigen nur so lange produziert werden, wie der ursprüngliche Impfstoff in den infizierten Zellen verbleibt (einige Tage). Dies bedeutet, dass die Immunreaktion im Allgemeinen schwächer ist als bei replizierenden viralen Vektoren und Auffrischungsdosen wahrscheinlich erforderlich sind.

Ein viraler vektorisierter Impfstoff, der zur Vorbeugung von Ebola entwickelt wurde, wurde im Juli 2020 von der Europäischen Arzneimittel-Agentur zur Verwendung zugelassen. Der COVID-19-Impfstoff von Oxford-AstraZeneca, der im Dezember 2020 von der MHRA für den Notfall zugelassen wurde, verwendet ebenfalls einen nicht-replizierenden viralen Vektor namens ChAdOx1.

Dieses Diagramm zeigt, wie der COVID-19-Impfstoff von Oxford-AstraZeneca funktioniert: