Forschung an Impfstoffen Wie wirken mRNA-Impfstoffe?

Author: Sylvaine von Liebe

Published at: 2-10-2023

Den Begriff mRNA-Impfstoffe kennen viele von uns erst seit der Corona-Pandemie. Doch die Technologie gab es schon vorher. Wegweisende Forscher waren Katalin Karikó und Drew Weissman, die dafür mit dem Medizin-Nobelpreis 2023 ausgezeichnet wurden. Hier erfahrt ihr mehr über mRNA-Impfstoffe.

Spritze, die Buchstaben mrna, ein 3-D-Modell der DNA und ein Modell eines Virus vor grauem Hintergrund. | Bild: picture-alliance/dpa/Zoonar /Cigdem Simsek

mRNA-Impfstoffe: Wie sie bei der Herstellung von Antigenen helfen

Fläschchen eines mRNA-Impfstoffs von Biontech. | Bild: picture-alliance/dpa

Bei den Coronavirus-Impfstoffen nutzt man die mRNA, um den Körper dazu anzuregen, Antikörper gegen SARS-CoV-2 zu bilden.

Der entscheidende Unterschied zwischen mRNA-Impfstoffen und herkömmlichen Impfstoffen ist: Die mRNA-Impfstoffe liefern den Zellen nur die Information für die Herstellung der zur Immunabwehr notwendigen Antigene. Die Zellen im Körper müssen die Antigene selbst bilden. Bei herkömmlichen Impfstoffen hingegen werden dem Immunsystem die Antigene schon präsentiert - in Form von abgeschwächten, abgetöteten oder inaktivierten Erregern oder Teilen von ihnen.

Zum Anhören: Was die mRNA-Technologie bewirken kann

Kurz erklärt: Was ist eine mRNA und was geschieht nach der Impfung?

Grafische Darstellung, was bei einer Impfgung mit einem mRNA-Impfstoff passiert. | Bild: picture-alliance/dpa/colourbox/dpa

Die Grafik zeigt, wie nach der Impfung mit einem mRNA-Impfstoff das Immunsystem zur Bildung von Antigenen angeregt wird.

Der Begriff mRNA steht für "messenger Ribonucleic acid", auf Deutsch auch Boten-RNA genannt. RNA steht für Ribonukleinsäure. Die mRNA ist ein Botenmolekül, das genetische Informationen aus dem Zellkern in die Bereiche der Zelle transportiert, in denen Proteine gebildet werden (Ribosome). Im Fall des mRNA-Impfstoffs gegen das neuartige Coronavirus heißt das: Die darin enthaltene mRNA ist der Bote, der den Bauplan für Proteine übermittelt, die das Virus braucht, um in die Zellen einzudringen. Es wird Oberflächenprotein oder Spike-Protein genannt.

Was nach der Impfung mit einem mRNA-Impfstoff gegen SARS-CoV-2 in unserem Körper passiert: Der Impfstoff wird in den Armmuskel gespritzt. So nehmen die Körperzellen die mRNA auf, lesen den darin enthaltenen Bauplan ab und produzieren das Spike-Protein. Im menschlichen Körper wird dieses Protein als Fremdkörper (Antigen) erkannt. Das aktiviert das Immunsystem und ruft eine schützende Immunantwort hervor - dazu gehört unter anderem die Produktion von Antikörpern. Außerdem werden im Immunsystem sogenannte Gedächtniszellen gebildet, die vor einer erneuten Infektion schützen. Da nur der Bauplan und nicht der Fremdkörper selbst produziert werden muss, sind mRNA-Impfstoffe schnell herzustellen. Das geschieht künstlich im Reagenzglas.

mRNA-Impfstoffe: Keine Gefahr für unser Erbgut

Impfdosen der mRNA-Impfstoffe von Biontech und Moderna. | Bild: picture-alliance/dpa/dpa-Zentralbild/Jan Woitas

mRNA-Impfstoffe wie die von Biontech und Moderna verändern die DNA, Träger unserer Erbinformation, nicht.

Viele Menschen haben Angst davor, dass der mRNA-Impfstoff ihr Erbgut beeinflusst. Doch diese Angst ist unbegründet. Bei der Impfung wird zwar mRNA in Zellen gespritzt, gelangt aber nicht in den Zellkern, wo sich unser Erbgut - die DNA - befindet. Die mRNA aus dem Impfstoff kommt nicht einmal in die Nähe der DNA. Zudem hat die mRNA auch eine andere chemische Struktur als die DNA. Der menschliche Körper besitzt keine Enzyme, um RNA in DNA umschreiben zu können. Daher ist es ausgeschlossen, dass die mRNA in das Genom - unserem Erbgut - eingebaut wird. Das bestätigt auch Leif Erik Sander von der Medizinischen Klinik mit Schwerpunkt Infektiologie und Pneumologie der Charité in Berlin.

Impfstofforscher: "Ausgeschlossen, dass sich mRNA in unser Erbgut integriert"

"Um in unser Erbmaterial reinzukommen, müsste es noch in den Zellkern kommen und müsste vorher noch umgeschrieben werden in eine DNA. Aber unser Körper hat die Enzyme nicht, um aus der RNA eine DNA zu machen und deshalb ist es ausgeschlossen, dass sich die RNA bei uns im Genom integriert."
Leif Erik Sander, Impfstofforscher an der Charité in Berlin

Zum Anhören: Nocebo-Effekt - wie unsere Psyche Impfreaktionen beeinflusst

Entwicklung von MRNA-IMPFSTOFFEN: Medizin-Nobelpreis 2023 für Katalin Karikó und Drew Weissman

An den sogenannten mRNA-Impfstoffen wird nicht erst seit der Verbreitung des Coronavirus geforscht. Die mRNA wurde schon Anfang der 1960er-Jahre entdeckt. Bis sie von den Pharmafirmen Biontech und Moderna als Impfstoff in der Corona-Pandemie eingesetzt werden konnte, war es ein langer Weg.

02.10.2023, Schweden, Stockholm: Thomas Perlmann (r), Sekretär der Nobelversammlung, verkündet die Gewinner des Nobelpreises für Medizin 2023, Katalin Karikó und Drew Weissman im Karolinska-Institut. Der Nobelpreis für Medizin geht in diesem Jahr an die in Ungarn geborene Forscherin Katalin Kariko und den US-Amerikaner Drew Weissman für Grundlagen zur Entwicklung von mRNA-Impfstoffen gegen Covid-19. Das teilte das Karolinska-Institut am Montag in Stockholm mit. | Bild: Jessica Gow/TT News Agency/AP/dpa

Medizin-Nobelpreis 2023 für die mRNA-Forscher Katalin Karikó und Drew Weissman.

Eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von mRNA-Impfstoffen spielte die Biochemikerin Katalin Karikó. Bereits seit den 1970er-Jahren forschte sie zur mRNA. Gemeinsam mit ihrem ehemaligen Kollegen Drew Weissman, ein Immunologe, hatte sie dann in den 1990er-Jahren eine entscheidende Entdeckung für die Nutzung von künstlich hergestellter mRNA in der Medizin gemacht: Verändert man den Code einer synthetischen mRNA, so kann sie vom Immunsystem unbemerkt in Zellen schlüpfen und wird nicht von der eigenen Immunabwehr zerstört - eine wesentliche Voraussetzung, damit ein auf mRNA-basierter Impfstoff überhaupt funktionieren kann. Für ihre Forschung zur mRNA-Technologie wurden Katalin Kariko und Drew Weissman 2023 mit dem Medizin-Nobelpreis ausgezeichnet.

Die ersten Impfstoffkandidaten, die Karikó Mäusen injiziert hatte - sie wollte damals einen mRNA-basierten Impfstoff gegen das für die Immunschwächekrankheit Aids verantwortliche HI-Virus entwickeln - lösten zwar heftige Entzündungsreaktionen aus, doch die Wissenschaftlerin ließ nicht locker. 2005 konnte sie schließlich gemeinsam mit Drew Weissman nachweisen, dass die chemische Umwandlung von Uridin, einem der Nukleotide (Moleküle) der mRNA, zu Pseudouridin, den Körper davon abzuhalten schien, die mRNA als Eindringling wahrzunehmen. Durch diese Modifizierung der mRNA konnte eine überschießende Immunantwort, wie sie bei den ersten Impfstoffkandidaten bei Mäusen festgestellt worden war, verhindert werden.

Biontech und die mRNA-Technologie: Erst Krebs-Forschung, dann Coronavirus-Impfstoff

Biontech-Zentrale in Mainz | Bild: picture-alliance/dpa/SvenSimon/Franz Waelischmiller

Biontech-Zentrale in Mainz: Ursprünglich sollten hier mRNA-Impfstoffe gegen Krebs entstehen.

Auch der Mediziner Uğur Sahin und seine Frau, die Immunologin Özlem Türeci, haben einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der mRNA-Impfstoffe geleistet. Sie forschten ähnlich früh wie Karikó an den besonderen Impfstoffen, erwarben Patente und gründeten im Jahr 2008 das Pharmaunternehmen Biontech. Ursprünglich war das Ziel ihrer Forschung, einen Impfstoff gegen Krebs zu entwickeln.

Viele Wissenschaftler sehen aber die Forschungen von Karikó und Weissman als Schlüsselbeitrag für die Entwicklung der mRNA-Impfstoffe an. "Der wahre Gewinner ist die modifizierte RNA", wird Jake Becraft, Mitbegründer und Geschäftsführer eines an mRNA-Therapeutika forschenden Unternehmens, in einem Artikel zur Geschichte der mRNA-Vakzine zitiert, der in seiner ersten Fassung im September 2021 im Fachmagazin "nature" erschienen ist. Mit "modifizierter RNA" ist die wissenschaftliche Leistung von Karikó und Weissman gemeint. Derselben Ansicht ist auch Utz Fischer, Biochemiker an der Universität Würzburg und Spezialist auf dem Gebiet der RNA-Biologie.

Experte für RNA-Biologie sagt 2021: "Karikó hätte Nobelpreis verdient"

"Für mich ist Frau Karikó die Schlüsselfigur bei der ganzen mRNA Technologie, da sie trotz schwerster Rahmenbedingungen - sie hatte so gut wie kein Forschungsgeld und wenig Unterstützung ihrer Universität über einen sehr langen Zeitraum - diese wichtigen Experimente durchgeführt hat. Wenn es einen Nobelpreis geben sollte, wird wohl an ihr kein Weg vorbeigehen." Utz Fischer, Professor für Biochemie an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und assoziiertes Mitglied des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI), Ende 2021 über Katalin Karikós Lebensleistung

mRNA-Impfstoffe: Einsatz gegen SARS-CoV-2

Das Virus SARS-CoV-2 in der dreidimensionalen Darstellung. | Bild: picture-alliance/dpa/Zoonar/DesignIt

Mit dem Coronavirus und der Pandemie wurden die mRNA-Impfstoffe erstmals einer breiten Öffentlichkeit bekannt.

Durch die Pandemie änderte sich in Sachen mRNA-Impfstoffe alles. Was jahrelang unmöglich schien, schnell einen mRNA-Impfstoff auf den Markt zu bringen, gelang jetzt. Und es ging Schlag auf Schlag. Schon im März 2020 schloss das deutsche Unternehmen Biontech eine Partnerschaft mit dem US-Pharmakonzern Pfizer. Die klinischen Studien für den Impfstoff gegen SARS-CoV-2 wurden im Rekordtempo vorangetrieben: Von den ersten klinischen Tests am Menschen bis zur Notfallzulassung in den USA vergingen weniger als acht Monate.

Der mRNA-Impfstoff von Biontech war der erste Impfstoff gegen das Coronavirus auf dem Markt, der zuvor alle klinischen Studien durchlaufen hatte. Schon im Dezember 2020 konnten sich die ersten Menschen in Deutschland mit dem Vakzin aus Mainz impfen lassen. Anfang Januar 2021 folgte hierzulande dann auch der Impfstart mit dem mRNA-Impfstoff von Moderna.

Impfstoff-Arten: Lebendimpfstoffe, Totimpfstoffe, Vektorimpfstoffe

Pharmazeut beim Aufziehen einer Spritze mit dem mRNA-Impfstoff von Biontech/Pfizer. Neben den mRNA-Impfstoffen gibt es aber noch weitere Impfstofftypen. | Bild: picture-alliance/dpa/empics/Andrew Vaughan

Neben den mRNA-Impfstoffen gibt es noch weitere Impfstofftypen, zum Beispiel Vektorimpfstoffe und Totimpfstoffe.

Neben mRNA-Impfstoffen gibt es noch andere Impfstoff-Arten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat sie folgendermaßen zusammengefasst:

Lebendimpfstoffe enthalten Erreger, die sich zwar noch vermehren können, also lebensfähig sind, aber deren krankmachenden Eigenschaften abgezüchtet wurden. Beispiele für Lebendimpfstoffe sind Impfstoffe gegen Mumps, Masern und Röteln.

Totimpfstoffe enthalten abgetötete, also nicht mehr vermehrungsfähige Krankheitserreger. Hierzu zählt man auch solche Impfstoffe, die nur Bestandteile oder einzelne Moleküle dieser Erreger enthalten. Je nach Art der Herstellung und dem Grad der Aufreinigung spricht man von Ganzvirus-, Spalt- oder Untereinheiten- (Subunit-) Impfstoffen. Beispiele für diesen Impfstofftyp sind Impfstoffe gegen Hepatits A (Ganzvirus-) und Influenza (Spalt- und Subunit-Impfstoffe).

Vektorimpfstoffe bestehen aus für den Menschen harmlosen Viren, den sogenannten Vektoren. Die Vektoren sind im Menschen nicht oder nur sehr begrenzt vermehrungsfähig. Damit das menschliche Immunsystem die Abwehr gegen den Krankheitserreger aufbauen kann, muss es mit Molekülen (Antigenen) des Krankheitserregers in Kontakt kommen. Dies kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden.

  • Entweder kann in einem Vektor ein Molekül aus der Virushülle des Vektors gegen ein Molekül aus der Hülle des Krankheitserregers ausgetauscht sein.
  • Oder der Vektor enthält die Information zum Aufbau von einem oder mehreren Protein-Molekülen (Antigenen) des Krankheitserregers. Diese Information wird dann in der menschlichen Zelle abgelesen, das Antigen des Krankheitserregers hergestellt und dem Immunsystem präsentiert. Somit wird die beim Impfen erwünschte Immunantwort ausgelöst.

Beispiel für Vektorimpfstoffe sind die Impfstoffe von AstraZeneca gegen das Coronavirus und das Vakzin "Ervebo" gegen Ebola. 

Multiple Sklerose, Krebs, Allergien: Das Potenzial von mRNA-Therapien

Angestellte der Firma Biontech in einem Schutzanzug bei der Überprüfung von mRNA-Impfstoffen. | Bild: picture-alliance/dpa/AA/Abdulhamid Hosbas

MRNA-Impfstoffe haben erhebliches Potenzial. Sie könnten bei allen Krankheiten, die sich über das Immunsystem beeinflussen lassen, helfen.

Mit der mRNA-Technologie können - in der Theorie - Krankheiten behandelt werden, die sich über das Immunsystem beeinflussen lassen. Der wirksame Impfstoff gegen das Coronavirus hat bewiesen, dass das Prinzip funktioniert. Mit bestimmten synthetisch hergestellten Molekülen, der mRNA, kann das Immunsystem zu einer schützenden Immunreaktion angeregt werden. Auch fehlende oder defekte Proteine können mithilfe der Technologie ersetzt werden. Ein weiterer Vorteil des mRNA-Verfahrens: mRNA lässt sich schnell, zu geringen Kosten und in großen Mengen herstellen. Hier einige Beispiele für das Potenzial von mRNA-basierten Therapien.

Bei Krebs: Ähnlich wie beim Coronavirus könnte ein mRNA-Impfstoff das Immunsystem des Erkrankten zur Bekämpfung von Krebszellen anregen. Entscheidend ist, dass der im Labor hergestellte mRNA-Impfstoff die passenden Baupläne für die Zellen liefert, wodurch das Immunsystem den Tumor bekämpft. Zahlreiche Studien zu verschiedenen Krebsarten - von Brust- Prostatata-, Haut- oder Lungenkrebs - werten derzeit den Nutzen eines mRNA-Impfstoffs aus. Laut Niels Halama, Wissenschaftler am Deutschen Krebsfortschungszentrum in Heidelberg (DKFZ), sollen mRNA-Impfstoffe "als Konzept für alle Tumorerkrankungen" einsetzbar sein, wie er in einem BR-Interview betont.
Dass trotz langer Forschung noch kein mRNA-Präparat gegen Krebs auf dem Markt ist, liegt daran, dass Tumorzellen im Gegensatz zu Viren ununterbrochen mutieren. Das macht es schwer, einen passgenauen Impfstoff herzustellen. Trotzdem rechnen Wissenschaftler am DKFZ damit, dass die mRNA-Technologie zur Behandlung von Krebspatienten vor 2030 einsetzbar ist.

Bei Multiple Sklerose (MS): Bei der Autoimmunerkrankung, bei der das körpereigene Immunsystem bestimmte Proteine - genauer: die Isolierschicht der Nervenfasern - im Gehirn und Rückenmark angreift, soll der mRNA-Impfstoff das Immunsystem dazu anregen, sich wieder an bestimmte, körpereigene Proteine zu gewöhnen. Im Tierversuch zeigte sich der mRNA-Impfstoff bereits als wirksam. Die Studie dazu wurde Anfang 2021 im Fachmagazin Science veröffentlicht.

Bei Allergien: Hier bekämpft das Immunsystem bestimmte Eiweiße. Wie beim Ansatz für eine Therapie bei MS soll das Immunsystem lernen, die allergieauslösenden Proteine zu tolerieren, zum Beispiel bei einer Pollenallergie.

Neben Impfstoffen gegen Viren, Bakterien und Krebs könnte die mRNA-Technik sogar dafür eingesetzt werden, um Organe und Gewebe zu "reparieren" - und somit zum Beispiel die Hautalterung aufzuhalten, sagt Steve Pascolo, einer der mRNA-Pioniere und Mibegründer des Pharmaunternehmens CureVac, über das Potzenzial der mRNA-Technologie.

Mehr Wissen: Sendungen zu mRNA-Impfstoffen und der Grundlagenforschung zur mRNA-Technologie