Die Impfstofftechnologie auf der Basis von Boten-Ribonukleinsäure (Messenger-RNA oder mRNA) ist seit einiger Zeit verfügbar. Die Verwendung ist jedoch erst seit Kurzem zugelassen. Infolgedessen haben sowohl Patient:innen als auch Anbieter im Gesundheitswesen viele Fragen dazu, wie diese Impfstoffe hergestellt werden und wie sie wirken. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Menschen eher mit der DNA vertraut sind, die alle unsere Gene kodiert, aber erinnern sich womöglich nicht mehr an das, was im Biologieunterricht über mRNA gelehrt wurde. Die DNA wird oft als der Bauplan einer Zelle angesehen und Proteine sind die Materialien, aus denen ihre Struktur besteht. Wenn wir dieser gängigen Analogie folgen, kann die mRNA als die Anleitung gesehen werden, die aus der Interpretation des Bauplans folgt, um alle strukturellen Komponenten herzustellen. Jedes Gen in der DNA wird im Zellkern in eine mRNA-Botschaft umgewandelt. Die mRNA-Botschaft wandert dann ins Zytoplasma, wo sie von einem Ribosom in ein Protein übersetzt wird. Danach wird die mRNA-Botschaft abgebaut.
DNA → mRNA → Protein
Jahrelange Forschung wurde betrieben, um zu verstehen, wie man stabile mRNA herstellt und wie man sie in Lipid-Nanopartikeln verkapselt, um sie in die Zellen zu bringen. Obwohl sich die Forschung auf diesem Gebiet ständig weiterentwickelt, war dieses Wissen bereits zu Beginn der COVID-19-Pandemie vorhanden. Um einen mRNA-Impfstoff für COVID-19 herzustellen, wurde also nur die genetische Sequenz des Zielantigens des Krankheitserregers benötigt. Bei SARS-CoV-2 war dies das Spike-Gen. Kurz nachdem die genetische Sequenz von SARS-CoV-2 im Januar 2020 bestimmt wurde, begannen auf mRNA-Technologie spezialisierte Unternehmen, darunter BioNTech und Moderna, mit der Herstellung von mRNA-Impfstoffen gegen COVID-19. Der einzige Wirkstoff in beiden mRNA-Impfstoffen ist die mRNA selbst. Es ist wichtig, zu wissen, dass mRNA die zelluläre DNA nicht verändern kann, da sie niemals in den Zellkern gelangt, wo sich die DNA befindet. Die mRNA-Impfstoffe enthalten auch Lipide, die die mRNA schützen und ihr helfen, in die Zellen zu gelangen, sowie Salze, Zucker und Puffer zur Stabilisierung. Die spezifischen Lipide und Stabilisatoren unterscheiden sich zwischen den Impfstoffen. Beide mRNA-Impfstoffe haben sich als sicher erwiesen. Es treten durchschnittlich weniger als fünf Fälle von anaphylaktischen Reaktionen pro eine Million Dosen auf.
Beide mRNA-Impfstoffe werden intramuskulär durch Injektion in den Deltamuskel des Arms verabreicht. Aufgrund der hydrophoben Natur der Lipid-Nanopartikel werden sie von den Zellmembranen angezogen. Sobald die Lipide mit den Zellen im Muskel verbunden sind, wird die mRNA in das Zytoplasma der Zelle freigesetzt. Im Zytoplasma tut die Impfstoff-mRNA das, was auch zelluläre mRNA tut: Sie wird von einem Ribosom in ein Protein übersetzt - in diesem Fall das SARS-COV-2-Spike-Protein. Die Muskelzellen um die Injektionsstelle herum produzieren viel Spike-Protein, das von Immunzellen im Gewebe erkannt werden kann.
Die Injektionsstelle ist eine Punktionswunde und ein Flüssigkeitsbolus wird in das Gewebe injiziert. Zusammen führen diese beiden Dinge zu zellulärem Stress, der das Immunsystem auf ein mögliches Problem aufmerksam macht. Darüber hinaus wird angenommen, dass die mRNA selbst eine Entzündungsreaktion stimuliert, die die Immunantwort auslöst. Diese Entzündungs- und Stressreaktion lockt Immunzellen in den Muskel, was zu Schmerzen, Schwellungen und Rötungen an der Injektionsstelle am Arm führen kann.
Antigenpräsentierende Zellen (kurz APZ) sind eine Art von Immunzellen, die zur Injektionsstelle hingezogen werden. Der mRNA-Impfstoff kann in APZs eindringen und Spike-Protein produzieren (wie es in Muskelzellen geschieht) und B-Zellen und CD8-T-Zellen stimulieren. APZs spielen eine weitere wichtige Rolle beim Auslösen der Immunantwort, indem sie extrazelluläre Proteine, tote Zellen und Fragmente an der Injektionsstelle aufnehmen. Sie bauen die Proteine, einschließlich des Spike-Proteins, ab und präsentieren den CD4-T-Zellen Peptidfragmente. Außerdem sind die APZs nicht statisch. Sie tragen Antigene von der Injektionsstelle zu den lokalen drainierenden Lymphknoten, wo sie mit größerer Wahrscheinlichkeit auf B-Zellen, CD4-T-Zellen und CD8-T-Zellen mit Rezeptoren treffen, die das Spike-Protein erkennen können.
Wenn antigenspezifische Lymphozyten aktiviert werden, durchlaufen sie einen Prozess der Proliferation und Differenzierung von naiven Zellen zu Effektorzellen. Die Hauptfunktion der Effektor-B-Zellen ist die Herstellung von Antikörpern, die in verschiedenen Typen existieren und unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Eine wichtige Funktion der nach der Impfung gebildeten Antikörper ist die Neutralisierung (Bindung des Virus und Verhinderung seiner Infektion von Zellen). Effektor-CD4-T-Zellen können eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, von der Unterstützung der B-Zellen bei der Herstellung der effektivsten Antikörper bis zur Unterdrückung der Immunantwort. Effektor-CD8-T-Zellen werden oft auch als zytotoxische T-Zellen bezeichnet, weil sie den Körper durchsuchen und infizierte Zellen eliminieren. Manchmal kann all diese Immunaktivität systemische Symptome wie Fieber, Müdigkeit und Muskelschmerzen verursachen. Dies ist eine normale Reaktion, die Reaktogenität genannt wird und häufiger nach der zweiten Dosis des mRNA-Impfstoffs auftritt.
Die wichtigste Folge der Impfung ist, dass einige Effektorzellen persistieren und sich an das SARS-CoV-2-Spike-Protein erinnern (diese Zellen werden B-Gedächtniszellen und T-Gedächtniszellen genannt). Wenn eine geimpfte Person mit SARS-CoV-2 infiziert wird, binden die zirkulierenden Antikörper das Virus und die B-Gedächtniszellen und T-Gedächtniszellen initiieren eine schnelle und starke Reaktion, um das Virus zu eliminieren. Mit den mRNA-Impfstoffen kann diese Reaktion bei etwa 95 % der Menschen Symptome verhindern und bei 100 % schwere COVID-19-Krankheitsverläufe und den Tod verhindern.
mRNA-Impfstoffe mögen eine neue Technologie sein, aber sie wurden in klinischen Studien der gleichen Bewertung unterzogen wie andere Impfstoffe zuvor. Die schnellere Zulassung und Verteilung eines COVID-19-Impfstoffs innerhalb eines Jahres war aus mehreren Gründen möglich. Erstens halfen jahrelange Forschungen über andere Coronaviren sowie SARS- und MERS-Viren dabei, zu verstehen, dass das Spike-Protein ein wichtiges Ziel für eine Impfung sein würde. Zweitens war der Bedarf so dringend, dass viele Unternehmen mit klinischen Studien begannen, während sie gleichzeitig präklinische Studien durchführten - ein großes finanzielles Risiko. Und weil COVID-19 so weit verbreitet ist, dauerte die Bestimmung der Wirksamkeit des Impfstoffs nicht so lange wie bei anderen Impfstoffen, die weniger verbreitete Infektionen verhindern.
Mit Hunderten von Millionen geimpften Menschen weltweit scheint es, dass mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 sowohl sicher als auch wirksam sind und eine wichtiges Mittel bei der Beendigung dieser Pandemie sein werden.