Auf dem Weg zu einem universellen Grippeimpfstoff

Grippeimpfungen lassen sich der Öffentlichkeit nur schwer verkaufen. Selbst eine gewöhnliche Grippeinfektion kann gesunde Menschen schwächen und für ältere oder gebrechliche Menschen sogar tödlich sein, weshalb Impfungen so wichtig sind. Das Problem ist, dass die Grippeimpfstoffe uneinheitlich wirken. In einer guten Saison erreichen wir eine Wirksamkeit von bis zu 60 %, aber in schlechten Jahren, in denen die Impfstoffe nicht aufeinander abgestimmt sind, können es nur 10 % oder 20 % sein“, sagt Barney Graham, stellvertretender Direktor des Impfstoff-Forschungszentrums am Nationalen Institut für Allergien und Infektionskrankheiten der USA (NIAID) in Bethesda, Maryland.

Die derzeitigen Grippeimpfstoffe schützen nur gegen die Stämme, auf die sie abgestimmt sind, so dass ein „universeller“ Grippeimpfstoff, der einen breiteren Schutz gegen die meisten Influenzaviren bietet, schon lange ein Traum ist. Die Schweinegrippe-Pandemie von 2009, die die Gesundheitsbehörden überraschte und weltweit eine halbe Million Todesopfer forderte, verlieh diesem Thema neue Dringlichkeit.

„Die Pandemie von 2009 hat uns deutlich vor Augen geführt, dass wir keine ausreichenden Lösungen für Grippeimpfstoffe haben“, sagt Graham. „Wir kannten das Virus, aber wir waren nicht in der Lage, schnell genug Impfstoff herzustellen.“ Eine effektivere Herstellung ist eine Lösung, aber eine einzige Impfung, die sowohl gegen saisonale als auch gegen neu auftretende Stämme schützt, hätte eine viel größere Wirkung.

Glücklicherweise fiel der Zeitpunkt der Pandemie mit großen Fortschritten bei der Entwicklung von Technologien zur Untersuchung der menschlichen Reaktion auf die Influenza zusammen. „Etwa 2008 oder 2009 begann man, einige breit neutralisierende Antikörper gegen das Influenzavirus zu finden“, sagt Ian Wilson, ein auf die Entwicklung von Impfstoffen spezialisierter Strukturbiologe am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien.

Jetzt, rund 100 Jahre nach der „Spanischen Grippe“-Pandemie von 1918, die rund 50 Millionen Menschen tötete, erweisen sich mehrere Universalimpfstoffprogramme sowohl in präklinischen als auch in klinischen Tests als vielversprechend. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob sie letztendlich den breiten Schutz bieten werden, den Kliniker suchen.

Ein variables Virus

Peter Palese, Mikrobiologe an der Icahn School of Medicine am Mount Sinai in New York City, ist der Meinung, dass die heutigen Grippeimpfstoffe zu sehr in der Kritik stehen. „Es sind ziemlich gute Impfstoffe, aber sie sind nicht perfekt“, sagt er. Das Hauptproblem sei, dass sie eine gezielte Immunreaktion gegen ein bewegliches Ziel auslösen.

Der Mensch wird von zwei Haupttypen der Grippe befallen. Influenza A und B können beide zur saisonalen Grippe beitragen, aber einige Influenza-A-Subtypen infizieren bevorzugt tierische Wirte. Manchmal sind diese Subtypen plötzlich in der Lage, Menschen zu infizieren, was zu Pandemien wie der im Jahr 2009 führt. Jedes Jahr wird der saisonale Grippeimpfstoff so konzipiert, dass er jeweils zwei Stämme von Influenza A und B abdeckt, basierend auf der bestmöglichen Einschätzung der Gesundheitsbehörden, welche Stämme in diesem Jahr vorherrschen werden.

Jedes Influenzavirus ist mit Hunderten von Molekularstrukturen übersät, die von einem multifunktionalen Protein namens Hämagglutinin gebildet werden. Hämagglutinin hilft dem Virus, sich zu binden und in die Wirtszellen einzudringen. Es besteht aus einem sperrigen Kopf, der über einen schlanken Stiel mit dem Virus verbunden ist. Der größte Teil der Immunreaktion zielt auf den Kopf ab, weil er stark exponiert ist, aber es gibt auch Hinweise darauf, dass der Kopf Merkmale enthält, die vorzugsweise eine starke Antikörperreaktion auslösen. „Es gibt strukturierte Schleifen, und Antikörper erkennen leicht Schleifen, die auf diese Weise herausragen“, erklärt James Crowe, Direktor des Vanderbilt Vaccine Center in Nashville, Tennessee. Leider sind diese immundominanten Elemente auch von Stamm zu Stamm sehr unterschiedlich.

Influenza-A-Viren sind besonders vielfältig. Sie werden nach Nummern klassifiziert, die auf dem Subtyp des Hämagglutinin-Proteins (H) und einem zweiten viralen Protein, der Neuraminidase (N), basieren, wobei zwischen diesen Subtypen eine noch größere Stammvariation beobachtet wird. Die Pandemie von 2009 wurde beispielsweise durch einen neuen Stamm des Subtyps H1N1 ausgelöst. Das Ausmaß der Hämagglutinin-Variabilität bedeutet, dass eine schlechte Stammauswahl dazu führen kann, dass die Empfänger weitgehend ungeschützt bleiben – und selbst ein guter Impfstoff bietet nur begrenzten Schutz gegen künftige Stämme. In zwei Jahren kann sich das Virus wieder verändern, so dass wir uns erneut infizieren und erkranken können“, sagt Palese.

Weiter erschwert wird die Suche nach einem universellen Grippeimpfstoff durch die Tatsache, dass unser Immunsystem durch die ersten Begegnungen mit der Grippe stark beeinflusst wird, und zwar durch ein Phänomen, das als Prägung bezeichnet wird – oder, wie es genannt wird, als „antigene Erbsünde“. Das bedeutet, dass Menschen eine starke Antikörperreaktion auf Viren haben, deren molekulare Merkmale mit denen des Stammes übereinstimmen, dem sie zum ersten Mal ausgesetzt waren, aber sie fangen im Grunde bei Null an, wenn sie zum ersten Mal mit weit verwandten Stämmen in Kontakt kommen. „Es ist nicht so, dass man das zweite Virus nicht sehen kann – es ist nur so, als wäre man ein Baby und würde es zum ersten Mal sehen“, sagt Crowe.

Imprinting ist ein zweischneidiges Schwert, denn eine frühe Exposition gegenüber dem richtigen Stamm könnte theoretisch einen weitreichenden und starken Schutz als Reaktion auf eine Impfung bewirken. Wenn ein Kind jedoch zum ersten Mal mit einem relativ ungewöhnlichen oder atypischen Influenzastamm in Berührung kommt, könnte sich die Impfung als weniger wirksam erweisen, um eine breit schützende Immunität hervorzurufen.

Stalking-Stabilität

Ein Impfstoff, der die Immunreaktion auf ein stabileres Ziel im Virus konzentriert, könnte das Problem der viralen Vielfalt lösen. Forscher wissen schon seit Jahrzehnten, dass es solche Ziele gibt. Im Jahr 1983 stellten Palese und seine Kollegen fest, dass die Hämagglutinin-Stalk-Domäne zwischen verschiedenen Stämmen so ähnlich ist, dass Antikörper spezifische physikalische Merkmale, so genannte Epitope, von Hämagglutinin-Proteinen aus verschiedenen Influenza-Subtypen erkennen können. Leider ist der Stiel so etwas wie ein immunologisches Mauerblümchen, das vom Einfluss des Kopfes überschattet wird. „Wir haben Epitope in den Stiel und dieselben Epitope in den Kopf eingebaut, und wir erhalten eine viel bessere Reaktion auf die Epitope im Kopf“, sagt Palese. In einigen Fällen kann sich die Immunität jedoch auch auf natürliche Weise entwickeln, und 2008 und 2009 wurde eine Reihe von stängelspezifischen Antikörpern von menschlichen Spendern isoliert.

In jüngster Zeit haben mehrere Forschergruppen mehrere Impfstoffstrategien entwickelt, um selektiv eine stammspezifische Reaktion hervorzurufen. Grahams Team am NIAID zum Beispiel hat in einem mühsamen Prozess eine eigenständige Version des Stammes eines H1-Grippevirus proteintechnisch hergestellt. „Wir haben etwa sieben oder acht Jahre gebraucht, um es so zu entwickeln und zu stabilisieren, dass die richtigen Oberflächen und Strukturen erhalten bleiben“, sagt Graham. Anschließend stellten die Forscher Nanopartikel her, die mehrere Kopien dieser manipulierten Stämme enthielten, und zeigten1 , dass diese – zumindest in Tiermodellen – einen starken Schutz gegen ganz andere Subtypen des Influenza-A-Virus, wie z. B. H5, erzeugen können. Dieses Impfstoffdesign wird derzeit in einer klinischen Phase I erprobt und könnte im Prinzip gegen viele der wichtigsten Subtypen des Pandemievirus schützen. Ein neueres Hämagglutinin-Stammkonstrukt, das vom NIAID entwickelt wurde, könnte zu einem noch umfassenderen Schutz gegen die übrigen Subtypen führen.

Palese und Florian Krammer, ein Virologe, der ebenfalls am Mount Sinai tätig ist, haben einen alternativen Ansatz zur Stimulierung der stammspezifischen Immunität entwickelt. Sie haben mehrere Influenzaviren mit chimären Hämagglutinin-Proteinen erzeugt, bei denen dieselbe Stalk-Domäne mit verschiedenen exotischen Head-Domänen von Virus-Subtypen gepaart ist, die in erster Linie Vögel infizieren und daher wahrscheinlich keine Imprinting-bedingte Reaktion beim Menschen auslösen. „Wenn man dann mit einem Impfstoff nachimpft, der denselben Stiel, aber einen völlig anderen Kopf hat, könnte das Immungedächtnis gegen den Stiel verstärkt werden“, erklärt Krammer.

Dieser Ansatz nutzt das gesamte Viruspartikel und schafft das Potenzial, eine parallele Immunerkennung anderer Influenza-Antigene auszulösen. Auf der Grundlage vielversprechender Beweise für einen Kreuzschutz gegen verschiedene Influenza-A-Subtypen bei Tieren führt das Team am Mount Sinai nun Phase-I-Studien durch, um die Sicherheit und Wirksamkeit des Impfstoffs beim Menschen zu untersuchen.

Versteckte Schwächen

Angeregt durch die Entdeckung von kreuzschützenden Stiel-Antikörpern in der freien Wildbahn haben mehrere Forschergruppen das Netz weiter ausgeworfen, um mehr solcher Moleküle zu finden. „Wir verwenden alle Arten von Spendern – Menschen, die aktiv krank sind, Menschen, die sich von der Vogelgrippe erholt haben, oder wir gehen in andere Länder, um Spender zu finden, die ungewöhnlichen Stämmen ausgesetzt sind“, sagt Crowe. Nach der Isolierung der antikörperproduzierenden B-Zellen dieser Personen können die Forscher ein umfassendes Profil der spezifischen Influenza-Ziele erstellen, die eine natürliche Immunantwort auslösen, und Antikörper identifizieren, die eine breite infektionsneutralisierende Wirkung haben könnten.

Diese Studien haben gezeigt, dass es sogar in der variablen Kopfdomäne des Hämagglutinins strukturelle Elemente gibt, die bei allen Influenza-Subtypen gleich sind. Im Jahr 2012 identifizierten Forscher von Scripps und dem Crucell Vaccine Institute von Janssen in Leiden, Niederlande, einen Antikörper namens CR9114, der eine noch nie dagewesene Breite der Erkennung aufweist. „Er kann sowohl an Influenza A als auch an Influenza B binden“, sagt Wilson, der an der Charakterisierung des Antikörpers beteiligt war. Dieser Antikörper wird nun verwendet, um Zielepitope auf Hämagglutinin zu identifizieren, die genutzt werden können, um eine weitreichende Virusneutralisierung sowohl für die Vorbeugung als auch für die Behandlung zu erreichen.

In einigen Fällen hat diese Suche unerwartete Schwachstellen im Virus aufgedeckt. Hämagglutinin setzt sich normalerweise zu hochstabilen Komplexen aus drei eng gekoppelten Molekülen zusammen, aber Crowe und Wilson entdeckten3 in diesem Jahr, dass sich diese Trimere gelegentlich öffnen und eine Schwachstelle freilegen, an die sich Antikörper binden können, was die Infektion durch eine Vielzahl von Influenza-A-Viren vereiteln könnte. „Diese Trimer-Schnittstelle ist ein ganz neues universelles Grippe-Epitop, und alle sind ganz verrückt danach“, sagt Crowe. „Es ist noch nicht einmal klar, wie es funktioniert, aber bei Tieren funktioniert es eindeutig.“

Ein Großteil der Variabilität zwischen Influenzaviren ist nur oberflächlich. Wenn man tiefer in das Innere des Viruspartikels vordringt, findet man eine größere Ähnlichkeit bei den wesentlichen Proteinen. Diese liegen außerhalb der Reichweite von Antikörpern, können aber von T-Zellen erkannt werden – einem Element des Immunsystems, das grippeinfizierte Zellen, die Peptidsignaturen ihrer viralen Eindringlinge aufweisen, anvisieren und eliminieren kann.

Bislang standen Antikörper im Mittelpunkt der Impfstoffforschung, weil sie eine entscheidende erste Verteidigungslinie gegen zirkulierende Viruspartikel darstellen, aber T-Zellen bieten einen entscheidenden Schutz, indem sie die Infektion eindämmen, wenn sie erst einmal im Gange ist. „Im Durchschnitt werden Menschen alle zwei oder drei Jahre mit dem Virus konfrontiert und infiziert“, sagt Sarah Gilbert, Leiterin der Impfstoffentwicklung am Jenner Institute der Universität Oxford (UK). „Die überwiegende Mehrheit dieser Infektionen verläuft entweder asymptomatisch oder mild“, sagt sie, „und der Grund dafür ist, dass die Menschen eine T-Zell-Antwort haben, die stark genug ist, um sie zu schützen.“

Um eine wirklich schützende T-Zell-Antwort hervorzurufen, müssen im Allgemeinen T-Gedächtniszellen wiedererweckt werden, die nach einer früheren Exposition gebildet wurden. Gilberts Team verwendet ein verkrüppeltes Vaccinia-Virus, das menschliche Zellen infizieren kann und zwei verschiedene immunstimulierende Influenza-Proteine synthetisiert, aber nicht in der Lage ist, sich weiter zu vermehren. „Mit einer einzigen Dosis konnten wir beim Menschen eine acht- bis zehnfache Steigerung der bereits vorhandenen T-Zell-Antworten feststellen“, sagt Gilbert. Sie fügt hinzu, dass die Zielproteine bei allen Influenza-A-Viren zu 90 % identisch sind, so dass ein breiter Schutz gegen pandemische Stämme möglich ist.

Gilberts Impfstoff wird derzeit unter der Leitung von Vaccitech, einem von ihr mitbegründeten Unternehmen in Oxford, in zwei Phase-II-Studien getestet. Eine starke T-Zell-Antwort scheint auch zu dem offensichtlichen Kreuzschutz beizutragen, den ein replikationsdefekter Grippeimpfstoff von FluGen mit Sitz in Madison, Wisconsin, bietet, der in einer kürzlich durchgeführten klinischen Phase-II-Studie erfolgreich war.

Prüfungen und Schwierigkeiten

Auch wenn mehrere vielversprechende Versuchsreihen am Menschen laufen, ist der Weg in die Klinik nach wie vor mit Schwierigkeiten verbunden. Mäuse werden häufig für frühe Studien zur präklinischen Entwicklung von Impfstoffen verwendet, aber Palese weist darauf hin, dass sie kein natürliches Reservoir für das Influenzavirus sind. Viele Forscher gehen daher schnell dazu über, ihre Impfstoffkandidaten an Frettchen zu testen, da diese für Influenza allgemein empfänglich sind und physiologisch gesehen dem Menschen ähnlicher sind, da Frettchen einen längeren Atemtrakt haben als Mäuse. Beide Spezies sind jedoch kurzlebig, was es schwierig macht, die Auswirkungen eines Impfstoffs über viele Runden der Influenzaexposition zu untersuchen.

Gilbert hat in Zusammenarbeit mit dem Pirbright Institute in der Nähe von Woking, UK, begonnen, an Schweinen zu arbeiten. Diese langlebige Tierart könnte sowohl als nützlicher Testfall als auch als wichtiger Nutznießer für Impfstoffe dienen. „Der obere Atemtrakt des Schweins ist dem des Menschen sehr ähnlich, und sie neigen dazu, sich mit denselben Viren zu infizieren“, sagt sie. „Und es besteht ein Bedarf an Grippeimpfstoffen für Schweine – man nimmt an, dass das H1N1-Pandemievirus von 2009 von Schweinen stammt.“

Krammer hat auch Schweine als Modell verwendet, sagt aber, dass sie aufgrund ihrer Größe schwer routinemäßig in der Forschung eingesetzt werden können. Außerdem zögert er, zu viele Schlüsse aus einem Tiermodell zu ziehen: „Man kann sie verwenden, um eine Vorauswahl von Kandidaten zu treffen und die Sicherheit zu prüfen, aber bei universellen Grippeimpfstoffen ist das ultimative Tiermodell der Homo sapiens.“

Der ultimative Beweis für jeden Grippeimpfstoff ist der Schutz vor Krankheiten in klinischen Studien. Doch bei einem vermeintlich universellen Impfstoff sind solche Tests komplizierter. Eine wachsende Zahl von Forschergruppen führt „Human Challenge“-Studien durch, bei denen gesunde Freiwillige nach der Impfung absichtlich einem bestimmten Grippestamm ausgesetzt werden. Dieser Ansatz ermöglicht schnellere Versuche mit kleineren Kohorten und definierten Expositionsbedingungen, was die Versuchskosten senkt, und erlaubt es den Forschern, die Viren, gegen die sie sich schützen wollen, selbst auszuwählen.

Aber Challenge Trials haben auch ihre Kritiker. „Es handelt sich nicht um eine natürliche Infektion. Man muss die Menschen mit einer Million oder sogar zehn Millionen Viruspartikeln impfen“, sagt Krammer, „und es scheint nicht wie eine natürliche Infektion zu funktionieren.“ Bei diesen Versuchen werden auch sehr junge und sehr alte Menschen ausgeschlossen, die am stärksten von der Grippe bedroht sind.

Ein weiteres Problem ist, dass die US-amerikanische Gesundheitsbehörde Food and Drug Administration immer noch einen realen Versuch verlangt, bevor sie die Zulassung erteilt, und diese sind schwierig und kostspielig. Sie erfordern Tausende von Teilnehmern, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Zahl von Menschen der Grippe ausgesetzt ist, und sie müssen sich über mehrere Saisons erstrecken, um die Wirksamkeit gegen mehrere Virusstämme oder Subtypen nachzuweisen.

Viele akademische Forscher sagen, dass selbst der Beginn einer klinischen Studie eine fast unüberwindbare Herausforderung darstellen kann, da sie Zugang zu hochentwickelten Produktionsanlagen erfordert, die die hohen Anforderungen an gute Herstellungsstandards erfüllen. „Selbst wenn es sich um ein einfaches Konstrukt handelt, dauert die Herstellung mindestens ein Jahr, und die Kosten belaufen sich auf etwa 1 bis 2 Mio. US-Dollar“, sagt Krammer. Einige große Unternehmen wie GlaxoSmithKline und Janssen haben diese Investitionen getätigt, aber es ist alles andere als einfach, so viel Geld von öffentlichen oder privaten Stellen zu bekommen. Gilbert kämpfte fünf Jahre lang um eine Finanzierung, bevor sie ihr Unternehmen gründete, das das nötige Kapital aufbrachte, um das Impfstoffprogramm ihres Labors in die Phase II zu bringen.

Weitere Investitionen könnten folgen. In den letzten Jahren haben sowohl das NIAID als auch die US-Biomedical Advanced Research and Development Authority der Entwicklung eines universellen Impfstoffs Priorität eingeräumt, und die Bill & Melinda Gates Foundation hat sich mit Regierungs- und Nichtregierungsorganisationen zum Global Funders Consortium for Universal Influenza Vaccine Development zusammengeschlossen.

Die Messlatte höher legen

Die Impfstoffe, die derzeit entwickelt werden, versprechen einen viel breiteren Schutz als die derzeitigen saisonalen Impfungen, sind aber weit davon entfernt, wirklich universell zu sein. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hält solche Impfstoffe nach wie vor für sehr wertvoll und fordert bis 2027 einen Impfstoff, der schwere Erkrankungen durch alle Formen der Influenza A verhindert und damit Pandemien vorbeugt. Krammer weist jedoch darauf hin, dass auch saisonale Influenza-B-Infektionen einen hohen Blutzoll fordern können, und sowohl er als auch Palese haben sich auf ihren Seiten auf eine echte Universalität konzentriert. „Ich denke, dass die WHO die Messlatte zu niedrig ansetzt“, sagt Palese. „

Ein universeller Schutz muss nicht bedeuten, dass alle Spuren des Influenzavirus beseitigt werden, sondern lediglich eine ausreichende Immunität, um die Symptome der Infektion zu minimieren. Selbst um dieses bescheidenere Ziel zu erreichen, ist wahrscheinlich ein mehrgleisiger Angriff erforderlich. „Stamm-Antikörper tragen zum Schutz bei, reichen aber wahrscheinlich nicht aus, um einen sehr starken Schutz zu erreichen“, sagt Crowe. „Sie wären nur ein Teil des Plans.“

In der Tat erforscht Gilbert das Potenzial eines umfassenderen immunologischen Angriffs, bei dem der chimäre Stammimpfstoff der Mount-Sinai-Gruppe mit der Vaccinia-Technik ihres Teams kombiniert wird. „Zumindest bei Mäusen“, sagt sie, „war die Kombination dieser beiden Ansätze besser als jeder für sich allein.“

Ein besseres Verständnis des menschlichen Immunsystems und seiner Reaktion auf eine Infektion könnte intelligentere Impfstrategien ermöglichen. Im Mai 2019 hat das US National Institutes of Health 35 Millionen Dollar an ein internationales Forscherteam vergeben, um die Immunität von Kleinkindern in den Jahren nach ihrer ersten Grippeexposition zu untersuchen und damit die bisher tiefsten Einblicke in den Prägungsprozess zu gewinnen.

Die Ergebnisse könnten den Entwicklern von Impfstoffen dabei helfen, den besten Weg zu finden, das Immunsystem umzustimmen, solange es noch formbar ist. Und das, so Crowe, könnte ein entscheidender Faktor sein. „Man könnte sich vorstellen, eine universelle Impfung als erste Exposition durchzuführen, mit einer positiven Prägung für den Rest des Lebens“, sagt er.