Als „Baustein“ zur Herstellung von Impfstoffen kann der mRNA-Impfstoff gegen Affenpocken „drei Fliegen mit einer Klappe schlagen“!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Du Pei (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Im Jahr 2022 durchbrach eine neue Variante des Affenpockenvirus ihre langjährige lokale Epidemie in Afrika und verbreitete sich weltweit, was zu einer neuen globalen Epidemie führte. Am 23. Juli 2022 gab die Weltgesundheitsorganisation (WHO) aufgrund des Ausbruchs der Affenpocken die höchste Alarmstufe heraus – eine gesundheitliche Notlage von internationaler Tragweite (PHEIC). Als die globale Affenpockenepidemie allmählich abebbte, gab die WHO am 11. Mai 2023 bekannt, dass Affenpocken kein PHEIC mehr darstellten.

Ab 2024 traten jedoch in Afrika neue Varianten der Affenpocken auf, die zu höheren Sterblichkeitsraten und neuen Übertragungsmerkmalen führten. Am 14. August 2024 musste die WHO erneut Alarm schlagen und erklärte den Affenpockenausbruch zum zweiten Mal zum PHEIC.

Vor kurzem wurden in vielen Ländern rund um mein Land, darunter Thailand und Indien, neue mutierte Stämme eingeführt. mein Land steht vor einer schweren Affenpockenepidemie und benötigt zur Vorbeugung dringend einen Impfstoff gegen Affenpocken.

Wie steht es mit dem Affenpockenimpfstoff, der aus dem Pockenimpfstoff hervorgegangen ist?

Vacciniavirus, Pockenvirus und Affenpockenvirus sind nahe Verwandte. In der Virustaxonomie gehören sie alle zur Gattung Orthopoxvirus und haben relativ ähnliche genetische Sequenzen. Die genetische Sequenz eines Organismus bestimmt die Eigenschaften seines Proteins, und Protein ist als Antigen ein Schlüsselmolekül, das den menschlichen Körper zur Produktion von Antikörpern und T-Zellen anregt. Die antigenen Eigenschaften des Vacciniavirus ähneln denen des Pockenvirus und des Affenpockenvirus, es ist jedoch für den Menschen weniger schädlich. Aufgrund dieser Ähnlichkeit wird das Pockenvirus seit langem im In- und Ausland anhand des Vacciniavirus untersucht. Das Vacciniavirus wurde auch zur Abschwächung verwendet, um abgeschwächte Lebendimpfstoffe zur Vorbeugung von Pocken und Affenpocken zu entwickeln. Der Lebendimpfstoff des Stammes Tiantan, der in meinem Land vor den 1980er Jahren häufig zur Pockenprophylaxe eingesetzt wurde, gehört in diese Kategorie.

Derzeit haben drei abgeschwächte Lebendimpfstoffe gegen Pocken die Grenze im Ausland überschritten und werden zu Impfstoffen gegen Affenpocken. Obwohl sie das dringende Problem der Epidemie lösen können, gibt es hinsichtlich Sicherheit und Zugänglichkeit noch immer einige Einschränkungen.

(1) Sicherheit: Der abgeschwächte Lebendimpfstoff gegen Pocken liegt in der dritten Generation vor und kann die Replikation des abgeschwächten Vacciniavirus im Körper des Impflings verhindern. Er ist sicherer als der frühreplikationsfähige Lebendimpfstoff. Das Vacciniavirus kann jedoch immer noch viele Proteine ​​im Körper produzieren, die die menschliche Immunantwort hemmen, was zu potenziellen Nebenwirkungen führen kann. Gemäß den Empfehlungen der WHO zur Affenpockenimpfung ist der Lebendimpfstoff der dritten Generation für HIV-infizierte Menschen, deren AIDS-Erkrankung bereits so weit fortgeschritten ist, dass ihre Immunfunktion nicht mehr ausreichend ist (weniger als 200 CD4+-T-Helferzellen pro Milliliter Blut), noch immer nicht sicher genug. Allerdings gibt es eine große Überschneidung zwischen Menschen, die mit dem Affenpockenvirus infiziert sind, und HIV-Trägern. Laut WHO-Statistik sind etwa 52,1 % der mit dem Affenpockenvirus infizierten Menschen HIV-Träger. HIV-infizierte Menschen mit geschwächtem Immunsystem haben ein hohes Risiko, an Affenpocken zu erkranken, und benötigen einen stärkeren Schutz.

(2) Zugänglichkeit: Impfstoffe können bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten nur dann eine Rolle spielen, wenn sie tatsächlich den Menschen verabreicht werden. Die Herstellung abgeschwächter Lebendimpfstoffe ist mit der Kultivierung von Viren, komplexen Produktionsprozessen und hohen Sicherheitsrisiken verbunden. Wenn eine Infektionskrankheit ausbricht, ist es schwierig, die Produktionskapazitäten schnell zu erhöhen, damit mehr Menschen geimpft werden können. Laut einem Bericht im Magazin Nature vom Oktober 2024 schätzt das Africa Centers for Disease Control and Prevention, dass in Afrika bis zu 15 Millionen Menschen eine Affenpockenimpfung benötigen, es aber nur etwa 275.000 Dosen Affenpockenimpfstoff zur Verfügung stehen. Tatsächlich ist die Welt seit dem Ausbruch der Affenpocken-Epidemie im Jahr 2022 weiterhin mit dem Problem unzureichender Produktionskapazitäten für Affenpocken-Impfstoffe konfrontiert. Das große Pharmaunternehmen, das den Lebendimpfstoff der dritten Generation herstellt, hat in den ersten acht Monaten des Jahres 2024 weltweit nur etwa zwei Millionen Dosen des Affenpockenimpfstoffs geliefert.

Daher muss die neue Generation des Affenpockenimpfstoffs „den Ballast beseitigen und das Wesentliche bewahren“, die „schlechten“ Proteine ​​entfernen und nur die „guten“ Proteine ​​als Impfstoffantigene behalten, um den Impfstoff sicherer zu machen; Darüber hinaus müssen die neuen Impfstofftechnologien der letzten Jahre umfassend genutzt werden, um die Wirksamkeit des Impfstoffs zu steigern und seine Herstellung zu vereinfachen.

Wie sollte eine neue Generation von Affenpockenimpfstoffen beschaffen sein?

Die neue Generation von Affenpockenimpfstoffen steht vor vielen Herausforderungen, wenn es darum geht, die Abfälle zu beseitigen und gleichzeitig das Wesentliche der traditionellen abgeschwächten Lebendimpfstoffe zu bewahren.

Welche Proteine ​​des Affenpockenvirus sollten als Antigene ausgewählt werden?

Pockenviren sind eine komplexe Klasse von Viren, die mehr als 200 Proteine ​​enthalten, aber nur einige der Schlüsselproteine, die die menschliche Immunantwort stimulieren können, eignen sich als Antigene in Impfstoffen. In den letzten Jahren haben Virologen, Immunologen und andere Wissenschaftler im In- und Ausland die Antigene des Vacciniavirus und des Affenpockenvirus eingehend erforscht und im Wesentlichen festgestellt, dass mehrere Proteine ​​die Schlüsselantigene des Orthopockenvirus sind, was als Grundlage für die Entwicklung einer neuen Generation von Affenpockenimpfstoffen dient.

Um einen optimalen Schutz zu erreichen, ist für die Affenpockenimpfung eine Kombination mehrerer Antigene erforderlich. Wie können mehrere Affenpocken-Antigene in einem Impfstoff enthalten sein?

Der einfachste Ansatz ist der „Cocktail“-Ansatz. Bei mRNA-Impfstoffen wird eine mRNA zum Kodieren eines Antigens verwendet und dann werden mehrere mRNAs wie ein Cocktail zu einem Impfstoff gemischt. Bei rekombinanten Proteinimpfstoffen werden mehrere Antigenproteine ​​direkt gemischt und mit anderen notwendigen Inhaltsstoffen kombiniert, um den Impfstoff herzustellen. Der „Cocktail“-Impfstoff ist jedoch nicht der optimale Weg, da er die Produktion mehrerer verschiedener mRNAs oder Proteine ​​erfordert, was den Produktionsprozess komplexer macht, die Qualitätskontrolle schwieriger macht und letztlich die Kosten des Impfstoffs erhöht. Gleichzeitig können die vielen verschiedenen Antigene im „Cocktail“ auch zu unausgewogenen Immuneffekten führen.

Welchen technologischen Weg der Impfstoffherstellung sollten wir wählen?

Verschiedene Impfstofftechnologien bieten unterschiedliche Vorteile. Unter ihnen verwenden mRNA-Impfstoffe mRNA-Moleküle als Träger. Nachdem sie in den Körper gelangt sind, produzieren sie in den Zellen Antigenproteine ​​und stimulieren Immunreaktionen. Daher können durch einfaches Ändern der mRNA-Sequenz, ähnlich wie beim Schreiben eines Computerprogramms, verschiedene Impfstoffe hergestellt werden. Dies bietet die Vorteile einer schnellen Entwicklungsgeschwindigkeit und eines hohen Standardisierungsgrads der Produktionslinien. Gleichzeitig können mRNA-Impfstoffe auch Antikörper und T-Zellen gleichzeitig stimulieren und eine gute Immunwirkung erzielen. Während der COVID-19-Pandemie wurde nach groß angelegten Impfungen der Bevölkerung die Sicherheit von mRNA-Impfstoffen anerkannt, was die Vorteile von mRNA-Impfstoffen weiter unterstreicht. Rekombinante Proteinimpfstoffe verwenden Proteine, um die menschliche Immunantwort zu stimulieren und haben zudem eine gute Immunwirkung und Sicherheit. Seit 2022 umfasst die neue Generation der Affenpockenimpfstoffe mRNA-Impfstoffe und rekombinante Proteinimpfstoffe, bei den meisten handelt es sich um „Cocktail“-mRNA-Impfstoffe. Im Ausland befinden sich zwei mRNA-Impfstoffe gegen Affenpocken in der klinischen Erprobung.

Nutzen Sie den „Baustein“-Ansatz zur Herstellung von Impfstoffen!

Proteine ​​haben komplexe dreidimensionale Strukturen, aber die dreidimensionale Struktur desselben Proteins ist relativ fest und kann durch experimentelle Mittel vorhergesagt und analysiert werden. Durch einen vernünftigen Plan ist es möglich, ein stabiles Protein zu entwickeln, das mehrere Antigene enthält und nicht nur auf ausgewogene Weise Antikörper gegen verschiedene Antigene stimulieren kann, sondern auch durch eine einzige mRNA kodiert werden kann, wodurch die Produktionskosten gesenkt und die Verfügbarkeit von Impfstoffen verbessert wird. Dieser Ansatz ist wie ein „Baustein“. Entsprechend der dreidimensionalen Struktur des Proteins werden mehrere Proteinmoleküle kombiniert und zu einem größeren Protein zusammengefügt. Sie sind in eine stabile Struktur eingebettet und darin fixiert, ähnlich wie Kongming-Bausteine, und werden wie Legosteine ​​durch verschiedene chemische Bindungen auf den Bindungsoberflächen verschiedener Proteine ​​verstärkt. Diese Strategie der Impfstoffentwicklung auf Grundlage der Proteinstruktur wird als strukturelle Vakzinologie bezeichnet.

Schema zur Herstellung eines Impfstoffs mit Bausteinen

(Bildquelle: Das linke Bild stammt aus der 360 Encyclopedia, das rechte Bild aus Referenz 1)

Gibt es also andere Impfstoffe, die mithilfe der strukturellen Vakzinologie entwickelt wurden? haben.

Im Jahr 2020 entwickelte das Team um Akademiemitglied Gao Fu vom Institut für Mikrobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften angesichts der COVID-19-Pandemie mithilfe der Strukturvakzinologie einen rekombinanten Proteinimpfstoff gegen das neue Coronavirus und entwickelte daraus gemeinsam mit Zhifei Bio den Impfstoff ZF2001®, von dem weltweit insgesamt 350 Millionen Dosen verabreicht wurden. Unter ihnen hat der Impfstoff ZF2001® Technologieexporte nach Usbekistan erzielt und ist zum wichtigsten Impfstoff des Landes gegen die neue Kronenepidemie geworden. In seinem unterzeichneten Artikel „Gemeinsam die Hände für eine bessere Zukunft der chinesisch-usbekischen Beziehungen“, der während seines Besuchs in Usbekistan am 13. September 2022 veröffentlicht wurde, erwähnte Generalsekretär Xi Jinping: „Chinesische Impfstoffe sind zur wichtigsten Kraft im Kampf Usbekistans gegen die Epidemie geworden und wurden gemeinsam produziert. Medikamente gegen COVID-19 wurden für den klinischen Einsatz in Usbekistan zugelassen und schützen wirksam das Leben und die Sicherheit der Menschen in beiden Ländern.“

Nach dem Ausbruch der Affenpocken entwickelte das Team des Akademikers Gao Fu einen rekombinanten Proteinimpfstoff DAM gegen das Affenpockenvirus, der eine chimäre Version zweier Affenpockenvirus-Antigene ist. Es kann die Bildung neutralisierender Antikörper gegen das Affenpockenvirus 28-mal stärker stimulieren als der attenuierte Lebendimpfstoff des Stamms Tiantan, wodurch ein vollständiger Schutz gegen tödliche Dosen einer Infektion mit dem Vacciniavirus erreicht und das Virus schnell aus den Organen entfernt wird. Als Einzelprotein hat der DAM-Impfstoff eine gute Sicherheit und Potenzial für die industrielle Entwicklung gezeigt.

Chimärer Multiantigen-mRNA-Impfstoff gegen Affenpocken: Von „drei Pfeile, drei Todesfälle“ zu „ein Pfeil, drei Todesfälle“.

Mithilfe der strukturellen Vakzinologie-Plattform entwickelte das Team um Akademiemitglied Gao Fu und Forscher Wang Qihui vom Institut für Mikrobiologie drei chimäre mRNA-Impfstoffe mit mehreren Antigenen gegen Affenpocken. Dabei wird eine einzelne mRNA zur Kodierung eines chimären Proteins verwendet, das drei Antigene des Affenpockenvirus enthält. Nach der Impfung von Mäusen konnten diese Impfstoffe eine hochwirksame humorale Immunität (Antikörper) und zelluläre Immunität (T-Zellen) stimulieren und die Antikörperspiegel mit geringem Abfall für fast sechs Monate nach der Immunisierung aufrechterhalten. **Alle mit diesen Impfstoffen geimpften Mäuse überlebten die Infektion mit einer tödlichen Dosis des Vacciniavirus. **Nach der Infektion mit der gleichen Dosis Vacciniavirus starben alle mit dem Lebendimpfstoff des Stamms Tiantan geimpften Mäuse. Diese Impfstoffe zeigten auch eine gute Schutzwirkung gegen das Affenpockenvirus. Die Viruslast in mehreren Organen von mit dem Affenpockenvirus infizierten Mäusen war signifikant niedriger als in der Kontrollgruppe der Mäuse.

Dreidimensionale Strukturen von Proteinen, die von drei chimären mRNA-Impfstoffen gegen Affenpocken mit mehreren Antigenen kodiert werden

(Bildquelle: Referenz 2)

Wenn der „Cocktail“-Impfstoff, der drei mRNAs zur Kodierung von drei Antigenen verwendet, „drei Fliegen mit einer Klappe schlägt“, dann erzielen diese chimären mRNA-Impfstoffe gegen Affenpocken mit mehreren Antigenen denselben Effekt. Im Vergleich zum „Cocktail“-mRNA-Impfstoff ist die Herstellung des chimären Impfstoffs, der durch einzelsträngige mRNA kodiert wird, weniger schwierig und es wird erwartet, dass er größere Kostenvorteile, einfachere Produktionsprozesse und eine breitere Zugänglichkeit des Impfstoffs bietet.

Derzeit hat das Institut für Mikrobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen Technologielizenzvertrag mit einem Pharmaunternehmen unterzeichnet, der es diesem erlaubt, den Impfstoff weiterzuentwickeln, klinisch einzureichen und zu vermarkten. Wir freuen uns darauf, dass der neue chimäre Multiantigen-mRNA-Impfstoff gegen Affenpocken einen Beitrag zur Prävention von Affenpocken leisten wird!

Quellen:

1.Rationales Design eines „Zwei-in-Eins“-Immunogens DAM führt zu einer starken Immunantwort gegen das Mpox-Virus

2. Einzelketten-A35R-M1R-B6R-trivalente mRNA-Impfstoffe schützen Mäuse sowohl vor dem Mpox-Virus als auch vor dem Vaccinia-Virus