Impfstofftypen und rationales Impfstoffdesign

Impfstoffe unterscheiden sich nicht nur darin, welches Virus sie angreifen, sondern auch darin, wie das Antigen dem Immunsystem präsentiert wird – als abgeschwächtes Lebendvirus, als abgetötetes Präparat, als gereinigtes Protein, als genliefernder Vektor oder als Boten-RNA. Das rationale Impfstoffdesign wählt und konstruiert das Antigen und die Plattform, um eine schützende Reaktion hervorzurufen, zunehmend geleitet durch strukturelles Wissen über die beteiligten viralen Proteine.

Definition

Impfstoffdesign ist die Auswahl eines viralen Antigens und einer Verabreichungsplattform – zusammen mit einem Adjuvans –, die darauf ausgelegt sind, eine schützende, dauerhafte adaptive Immunität zu induzieren, während sie sicher bleiben, wobei die Plattformen von ganzen attenuierten oder inaktivierten Viren bis hin zu Untereinheitenproteinen und Nukleinsäurekonstrukten reichen.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten Impfstoffplattformen (Lebendimpfstoffe, Totimpfstoffe, Untereinheiten- und Konjugatimpfstoffe, virale Vektorimpfstoffe und Nukleinsäureimpfstoffe), die Rolle von Adjuvantien und die Prinzipien des rationalen und strukturbasierten Designs. Es erklärt, wie jede Plattform die resultierende Immunantwort prägt. Impfschemata, Indikationen oder individuelle Impfempfehlungen werden nicht behandelt.

Core questions

• Was sind die wichtigsten Impfstoffplattformen und wie unterscheiden sie sich mechanistisch?
• Warum beeinflusst die Wahl der Plattform die Stärke, Breite und Dauerhaftigkeit der Immunität?
• Was ist ein Adjuvans und wann wird es benötigt?
• Wie ermöglicht strukturelles Wissen über virale Antigene ein rationales Design?
• Welche Kompromisse bestehen zwischen Lebend-, Inaktivierungs- und Nukleinsäureansätzen?

Key concepts

• Lebendimpfstoffe
• Inaktivierte (Tot-)Impfstoffe
• Untereinheiten- und Konjugatimpfstoffe
• Virale Vektorimpfstoffe
• Nukleinsäureimpfstoffe (mRNA und DNA)
• Adjuvantien
• Antigenselektion und Immunogendesign
• Strukturbasiertes und rationales Impfstoffdesign

Mechanisms

Jede Plattform liefert virales Antigen auf einem anderen Weg. Lebendimpfstoffe verwenden ein abgeschwächtes, aber replizierendes Virus, das eine natürliche Infektion nachahmt und tendenziell eine breite, dauerhafte Immunität induziert; inaktivierte Impfstoffe präsentieren nicht-replizierende ganze Viren und erfordern oft Auffrischungen und Adjuvantien. Untereinheiten- und Konjugatimpfstoffe verwenden gereinigte Proteine oder Polysaccharide und tauschen Breite gegen Sicherheit. Virale Vektor- und Nukleinsäureimpfstoffe liefern stattdessen die genetischen Anweisungen für ein Antigen, sodass die körpereigenen Zellen des Empfängers es produzieren, wodurch sowohl Antikörper- als auch T-Zell-Antworten ausgelöst werden. Pollard und Bijker (2020) liefern den vergleichenden Rahmen für diese Plattformen, und Shi et al. (2019) beschreiben, wie Adjuvantien die Reaktion auf nicht-lebende Antigene verstärken und formen. Rationales Design verfeinert das Antigen selbst – zum Beispiel durch Stabilisierung eines viralen Oberflächenproteins in seiner Präfusionskonformation –, um die Immunität auf schützende Epitope zu konzentrieren.

Clinical relevance

Die Wahl der Plattform bestimmt einen Großteil des praktischen Profils eines Impfstoffs – wie er gelagert wird, wie viele Dosen benötigt werden und welche Art von Immunität er begünstigt –, weshalb das Verständnis der Plattformen für die Interpretation von Impfstoffdaten von zentraler Bedeutung ist. Die großen COVID-19-mRNA-Impfstoffstudien (Polack et al., 2020; Baden et al., 2021) zeigten, dass eine damals neue Plattform eine hohe gemessene Wirksamkeit erreichte. Dieser Eintrag erklärt die Wissenschaft dieser Designs und ist keine Quelle für Impfempfehlungen.

History

Das Impfstoffdesign entwickelte sich von Jenners Ganzpathogen-Inokulation über Pasteurs Attenuierung zu inaktivierten und lebenden Virusimpfstoffen Mitte des 20. Jahrhunderts, dann zu Untereinheiten- und rekombinanten Antigenen und schließlich zu viralen Vektor- und mRNA-Plattformen, die während der COVID-19-Pandemie zugelassen wurden, wie von Pollard und Bijker (2020) dargestellt.

Debates

Ersetzen Nukleinsäure- und Vektorplattformen traditionelle Ganzvirusimpfstoffe?

Neuere Plattformen bieten Geschwindigkeit und Flexibilität und erwiesen sich als hochwirksam gegen SARS-CoV-2, aber Lebend- und Inaktivierungsimpfstoffe behalten in einigen Umgebungen Vorteile, sodass das Feld die Plattformwahl als Antigen- und Kontext-abhängig und nicht als endgültig betrachtet.

Key figures

• Andrew Pollard
• Stanley Plotkin

Seminal works

• pollard-bijker-2020
• shi-2019

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem Untereinheitenimpfstoff und einem mRNA-Impfstoff?

Ein Untereinheitenimpfstoff liefert ein fertiges virales Protein, während ein mRNA-Impfstoff die genetischen Anweisungen liefert, sodass die körpereigenen Zellen des Empfängers das Protein herstellen; beide zielen darauf ab, dasselbe Antigen zu präsentieren, erreichen dies jedoch auf unterschiedlichen Wegen.

Warum enthalten einige Impfstoffe ein Adjuvans?

Gereinigte oder inaktivierte Antigene sind oft von sich aus schwach immunogen, daher wird ein Adjuvans hinzugefügt, um die Immunantwort zu stimulieren und zu formen und so die Stärke und Dauerhaftigkeit des Schutzes zu verbessern.