Die Evolution der Impfstoffe: Von Jenners Pocken-Durchbruch zur modernen Immunologie

Hintergrund

Die Entwicklung von Impfstoffen zum Schutz vor Viruserkrankungen ist einer der Meilensteine der modernen Medizin. Der erste Impfstoff wurde 1796 von Edward Jenner hergestellt, um Schutz vor Pocken zu bieten. Jenner bemerkte, dass Milchmädchen, die Kuhpocken – eine relativ harmlose Infektion – durchgemacht hatten, gegen Pocken resistent schienen, eine menschliche Krankheit, die regelmäßig epidemische Ausmaße mit extrem hoher Sterblichkeit erreichte.

Jenner theorisierte (zutreffend), dass Kuhpocken, eine Tierkrankheit, den Pocken ähnlich sei. Er schloss, dass die menschliche Reaktion auf eine Injektion von Kuhpockenvirus den menschlichen Körper irgendwie lehren würde, auf beide Viren zu reagieren, ohne schwere Krankheit oder Tod zu verursachen. Heute sind Pocken vollständig ausgerottet. Nur zwei gefrorene Proben dieses virulenten Virus existieren (eine in den USA, die andere in Russland), und Mitte 1995 gab es ernsthafte wissenschaftliche Debatte, ob man die Proben vernichten oder für weitere Laborstudien behalten sollte.

Ein Virus ist ein kleines Stück RNA (Ribonukleinsäure) und/oder DNA (Desoxyribonukleinsäure), das Material in allen lebenden Zellen, das der Zelle anweist, wie sie wachsen und sich vermehren soll. Viren können sich nicht selbst vermehren, sondern nur, indem sie den Zellkern einer Wirtszelle übernehmen und die Zelle anweisen, zusätzliche Viren herzustellen. Wenn ein Virus erfolgreich in einen Organismus eindringt, übernimmt es den Zellwachstumsprozess im Wirt.

Unter normalen Umständen reagiert der menschliche Körper auf virale Invasion auf mehrere Arten. Generalisierte Immunität gegen ein Virus kann von den Körperzellen entwickelt werden, die Ziel der viralen Invasion sind. In diesem Fall werden Viren daran gehindert, Zugang zu Wirtszellen zu erhalten. Ein häufigerer Schutz ist die Fähigkeit des Körpers, Blut- und Lymphzellen zu entwickeln, die das eindringende Virus zerstören oder dessen Wirksamkeit begrenzen. Oft wird ein infizierter menschlicher Körper „lernen“, wie er auf ein spezifisches Virus in Zukunft reagieren soll, sodass eine einzelne Infektion, besonders von einem relativ benignen Virus, den Körper meist lehrt, auf weitere Invasionen desselben Virus zu reagieren. Die gewöhnliche Erkältung wird durch eines von mehreren hundert Viren verursacht. Nach Überwindung einer Erkältung sind die meisten Menschen resistent gegen das spezifische Virus, das diese bestimmte Erkältung verursachte, obwohl ähnliche Erkältungsviren noch ähnliche oder identische Symptome verursachen. Bei manchen harmlosen Viren kann eine Person sogar Immunität entwickeln, ohne sichtbar zu erkranken.

Virusfamilien

Es gibt meist mehrere Variationen oder Stämme eines bestimmten Virus. Je nach Anzahl der Varianten könnte ein Biologe Viren als Typen oder Stämme gruppieren. Impfstoffe werden häufig aus mehr als einer Gruppe verwandter Viren hergestellt; eine präventive Reaktion auf die multivalente Impfung wird wahrscheinlich Immunität gegen fast alle Varianten der Gruppe bewirken, oder zumindest gegen jene Varianten, denen eine Person wahrscheinlich begegnet. Die Wahl der spezifischen Mitglieder der Gruppe für einen Impfstoff erfolgt mit sorgfältiger Sorgfalt und Abwägung.

Herstellungsprozess

Die Herstellung eines Antiviren-Impfstoffs ist heute ein komplexer Prozess, selbst nach der mühsamen Aufgabe, einen potenziellen Impfstoff im Labor zu entwickeln. Der Übergang von der Herstellung kleiner Mengen eines potenziellen Impfstoffs zur Produktion von hunderten Litern sicherem Impfstoff in einer Produktionsumgebung ist dramatisch, und einfache Laborverfahren sind möglicherweise nicht für eine „Skalierung“ geeignet.

Der Seed

• 1. Die Herstellung beginnt mit kleinen Mengen eines spezifischen Virus (oder Seeds). Das Virus muss frei von Verunreinigungen sein, einschließlich anderer ähnlicher Viren und sogar Variationen desselben Virustyps. Zudem muss der Seed unter „idealen“ Bedingungen, meist gefroren, aufbewahrt werden, die verhindern, dass das Virus stärker oder schwächer als gewünscht wird. In kleinen Glas- oder Kunststoffbehältern gelagert, Mengen von nur 5 oder 10 cm³, aber tausende bis Millionen Viren enthaltend, führen schließlich zu mehreren hundert Litern Impfstoff. Gefrierschränke werden auf spezifizierte Temperaturen gehalten; Diagramme und/oder Anzeigen außerhalb des Gefrierschranks führen kontinuierliche Temperaturaufzeichnungen. Sensoren lösen hörbare Alarme und/oder Computeralarme aus, wenn die Gefriertemperatur aus dem Bereich fällt.

Virus vermehren

• 2. Nach Auftauen und Erwärmen des Seed-Virus unter sorgfältig spezifizierten Bedingungen (z. B. Raumtemperatur oder Wasserbad) wird die kleine Menge Virus in eine „Zellfabrik“ gegeben – eine kleine Maschine, die mit Zugabe eines geeigneten Mediums die Vermehrung der Virus-Zellen ermöglicht. Jeder Virustyp wächst am besten in einem für ihn spezifischen Medium, das in prä-herstellung Laborverfahren etabliert wurde, aber alle enthalten Proteine von Säugetieren in irgendeiner Form, wie gereinigtes Protein aus Rinderblut. Das Medium enthält auch andere Proteine und organische Verbindungen, die die Vermehrung der Virus-Zellen fördern. Für das Virus ist das Medium in der Zellfabrik ein Wirt für die Vermehrung. Gemischt mit dem passenden Medium, bei geeigneter Temperatur und für eine vorbestimmte Zeit, vermehren sich die Viren.
• 3. Neben Temperatur müssen weitere Faktoren überwacht werden, einschließlich des pH-Werts der Mischung. pH misst Säure oder Basizität auf einer Skala von 0 bis 14, und die Viren müssen in der Zellfabrik bei einem definierten pH gehalten werden. Reines Wasser, weder sauer noch basisch (neutral), hat pH 7. Obwohl der Behälter, in dem die Zellen wachsen, nicht sehr groß ist (vielleicht Größe eines 4–8-Liter-Topfs), sind beeindruckend viele Ventile, Schläuche und Sensoren angeschlossen. Sensoren überwachen pH und Temperatur, diverse Anschlüsse für Medien- oder Chemikalienzugabe wie Sauerstoff zur pH-Erhaltung, Entnahmepunkte für mikroskopische Analysen und sterile Anordnungen für Komponentenzugabe und Entnahme des Zwischenprodukts bei Reife.
• 4. Das Virus aus der Zellfabrik wird dann vom Medium getrennt und in ein zweites Medium für weiteres Wachstum überführt. Frühere Methoden vor 40–50 Jahren nutzten eine Flasche für das Gemisch, und das resultierende Wachstum war eine einzelne Virenschicht auf dem Medium. Bald entdeckte man, dass Drehen der Flasche während des Viruswachstums noch mehr Virus produzierte, da eine Virenschicht auf allen Innenflächen der Flasche wuchs. Eine wichtige Entdeckung in den 1940ern war, dass Zellwachstum durch Enzymzugabe zum Medium stark angeregt wird, das häufigste Trypsin. Ein Enzym ist ein Protein, das auch als Katalysator in der Ernährung und dem Wachstum von Zellen fungiert.

  In aktueller Praxis werden Flaschen gar nicht mehr verwendet. Das wachsende Virus wird in einem Behälter gehalten, der größer, aber ähnlich der Zellfabrik ist, und mit „Perlen“ – mikroskopischen Partikeln – gemischt, an die sich Viren anheften können. Die Perlen bieten den Viren eine viel größere Anheftungsfläche und damit ein viel größeres Viruswachstum. Wie in der Zellfabrik werden Temperatur und pH streng kontrolliert. Die Zeit im Viruswachstum variiert je nach Virustyp und ist in jedem Fall ein streng gehütetes Geheimnis des Herstellers.

Trennung

• 5. Wenn eine ausreichende Anzahl Viren vorhanden ist, werden sie auf eine oder mehrere Arten von den Perlen getrennt. Die Brühe könnte durch einen Filter gepresst werden, dessen Öffnungen groß genug für Viren, aber klein genug gegen Perlen sind. Das Gemisch könnte mehrmals zentrifugiert werden, um Virus von Perlen in einem Behälter zu trennen, aus dem sie dann abgezogen werden. Eine weitere Alternative könnte sein, das Perlengemisch mit einem anderen Medium zu fluten, das die Viren von den Perlen abwäscht.

Stamm-Auswahl

Der endgültige Impfstoff besteht entweder aus attenuierten (abgeschwächten) Viren oder abgetöteten Viren. Die Wahl hängt von Faktoren ab, einschließlich der Wirksamkeit des resultierenden Impfstoffs und seiner Nebenwirkungen. Grippeimpfstoff, der fast jährlich als Reaktion auf neue Varianten des Erregervirus entwickelt wird, ist immer ein attenuierter Impfstoff. Die Virulenz eines Virus kann die Wahl diktieren; Tollwutimpfstoff ist beispielsweise immer ein abgetöteter Impfstoff.

• 6. Wenn der Impfstoff attenuiert ist, wird das Virus meist vor dem Produktionsprozess attenuiert. Sorgfältig ausgewählte Stämme werden wiederholt in verschiedenen Medien kultiviert (gezüchtet). Es gibt Virusstämme, die beim Wachsen stärker werden. Diese sind klar unbrauchbar für attenuierte Impfstoffe. Andere werden bei wiederholter Kultivierung zu schwach und sind ebenfalls für Impfzwecke inakzeptabel. Wie der Brei, Stuhl und Bett, den Goldilocks mochte, sind nur einige Viren „genau richtig“ – sie erreichen einen Attenuationsgrad, der sie für Impfzwecke akzeptabel macht, ohne ihre Stärke zu ändern. Neuere Molekulartechnologie ermöglicht die Attenuierung lebender Viren durch molekulare Manipulation, aber diese Methode ist noch selten.
• 7. Das Virus wird dann vom Medium getrennt, in dem es gewachsen ist. Impfstoffe, die aus mehreren Typen bestehen (wie die meisten), werden vor der Verpackung kombiniert. Die tatsächliche Impfstoffmenge, die einem Patienten verabreicht wird, ist relativ klein im Vergleich zum Medium, in dem sie gegeben wird. Entscheidungen, ob Wasser, Alkohol oder eine andere Lösung für einen injizierbaren Impfstoff verwendet wird, werden nach wiederholten Tests auf Sicherheit, Sterilität und Stabilität getroffen.

Qualitätskontrolle

Um sowohl die Reinheit des Impfstoffs als auch die Sicherheit der Arbeiter, die ihn herstellen und verpacken, zu schützen, werden Laborreinheitsbedingungen während des gesamten Verfahrens eingehalten. Alle Virus- und Medienübertragungen erfolgen unter sterilen Bedingungen, und alle verwendeten Instrumente werden im Autoklaven (eine Maschine, die Organismen durch Hitze abtötet, und die so klein wie eine Schmuckschatulle oder so groß wie ein Aufzug sein kann) vor und nach Gebrauch sterilisiert. Die Arbeiter tragen Schutzkleidung, einschließlich Einweg-Tyvek-Kittel, Handschuhe, Überschuhe, Hauben und Gesichtsmasken. Die Fertigungsräume sind speziell klimatisiert, sodass minimal Partikel in der Luft sind.

Zulassungsprozess

Damit verschreibungspflichtige Medikamente in den USA verkauft werden dürfen, muss ein Arzneimittelhersteller strenge Zulassungsanforderungen erfüllen, die gesetzlich festgelegt und von der Food and Drug Administration (FDA) durchgesetzt werden.

Alle verschreibungspflichtigen Medikamente müssen drei Testphasen durchlaufen, obwohl Daten der zweiten Phase manchmal die dritte Phase erfüllen können. Phase 1 muss beweisen, dass ein Medikament sicher ist, oder zumindest, dass keine unerwünschten oder unerwarteten Effekte bei Verabreichung auftreten. Besteht ein Medikament Phase I, muss es als Nächstes auf Wirksamkeit getestet werden – es muss tun, wozu es bestimmt ist; Medizin darf nicht verkauft werden, die nutzlos ist oder Wirkungen beansprucht, die sie nicht hat. Schließlich ist Phase III darauf ausgelegt, die Wirksamkeit eines Medikaments zu quantifizieren. Obwohl Impfstoffe eine Wirksamkeit nahe 100 % erwarten lassen, könnten bestimmte Medikamente auch bei begrenzter Wirksamkeit akzeptabel sein, solange der verschreibende Arzt die Erfolgsaussichten kennt.

Der gesamte Herstellungsprozess wird von der FDA sorgfältig geprüft, die Verfahrensaufzeichnungen untersucht und den Fertigungsstandort besucht. Jeder Schritt muss dokumentiert sein, und der Hersteller muss einen „Zustand der Kontrolle“ für den Herstellungsprozess nachweisen. Das bedeutet, dass akribische Aufzeichnungen für jeden Schritt geführt werden müssen und schriftliche Anweisungen für jeden Prozessschritt vorliegen müssen. Außer bei schwerwiegenden Fehlern bestimmt die FDA nicht, ob jeder Schritt korrekt ist, sondern nur, dass er sicher und ausreichend dokumentiert ist, um so durchgeführt zu werden, wie der Hersteller es vorgibt.

Zukunft

Die Herstellung eines brauchbaren, sicheren antiviralen Impfstoffs erfordert viele Schritte, die leider nicht für jedes Virus durchführbar sind. Es gibt noch viel zu tun und zu lernen. Neue Methoden der molekularen Manipulation haben mehr als einen Wissenschaftler glauben lassen, dass die Impfstofftechnologie erst jetzt in ein „goldenes Zeitalter“ eintritt. Verfeinerungen bestehender Impfstoffe sind in Zukunft möglich. Tollwutimpfstoff beispielsweise verursacht Nebenwirkungen, die ihn für Massenimpfungen unbefriedigend machen; in den USA wird Tollwutimpfstoff nun nur noch bei Patienten eingesetzt, die das Virus von einem infizierten Tier erhielten und ohne Immunisierung wahrscheinlich die tödliche Krankheit entwickeln würden.

Das HIV-Virus, von dem Biologen glauben, dass es AIDS verursacht, ist derzeit nicht mit traditionellen Impfstoffproduktionsmethoden zugänglich. Das AIDS-Virus mutiert schnell von einem Stamm zum anderen, und kein gegebener Stamm scheint Immunität gegen andere Stämme zu vermitteln. Zudem kann eine begrenzte immunisierende Wirkung weder attenuierter noch abgetöteter Viren im Labor oder an Testtieren demonstriert werden. Noch wurde kein HIV-Impfstoff entwickelt.