Nanovakzine: Impfstoffe auf Nanopartikel-Basis

Nanovakzine sind Impfstoffe, bei denen das Antigen, also der Teil eines Erregers, gegen den das Immunsystem trainiert werden soll, auf oder in Nanopartikeln präsentiert wird. Die Partikel sind mit etwa 10 bis einigen 100 Nanometern ungefähr so groß wie Viren. Genau das macht sie wirksam: Das Immunsystem ist darauf eingestellt, Teilchen dieser Größe zu erkennen und aufzunehmen. Einige Nanovakzine sind seit Jahrzehnten im Einsatz, andere wie mRNA-Impfstoffe in Lipid-Nanopartikeln kamen erst in den letzten Jahren hinzu.

Warum die Größe zählt

Ein lösliches Eiweiß allein ruft oft nur eine schwache Immunantwort hervor. Wird dasselbe Eiweiß in vielen Kopien geordnet auf einem Partikel angeordnet, ändert sich das deutlich. Drei Mechanismen spielen dabei zusammen:

1. Aufnahme durch Immunzellen: Antigenpräsentierende Zellen wie dendritische Zellen nehmen Partikel in Virusgröße bevorzugt auf und zeigen Bruchstücke davon den T-Zellen.
2. Transport in Lymphknoten: Kleine Partikel gelangen über die Lymphgefäße in die Lymphknoten, wo Immunantworten organisiert werden.
3. Vernetzung von B-Zell-Rezeptoren: Viele gleiche Antigene in regelmäßigem Abstand binden mehrere Rezeptoren einer B-Zelle zugleich. Das ist ein starkes Aktivierungssignal und fördert die Bildung von Antikörpern.

Die immunologischen Grundlagen dazu fasst die Themenseite Nanotechnologie und Immunologie zusammen.

Die wichtigsten Plattformen

Virusähnliche Partikel

VLPs sind die älteste Form der Nanovakzine. Werden die Hüllproteine eines Virus in Hefe, Insektenzellen oder anderen Zellen hergestellt, lagern sie sich von selbst zu einer virusartigen Hülle zusammen. Diese enthält kein Erbgut und kann sich nicht vermehren. Bekannte Beispiele sind Impfstoffe gegen Hepatitis B und gegen humane Papillomviren. Auch die von der Weltgesundheitsorganisation empfohlenen Malaria-Impfstoffe beruhen auf Partikeln, bei denen ein Malaria-Protein mit einem Hepatitis-B-Oberflächenprotein verbunden ist.

Lipid-Nanopartikel

Lipid-Nanopartikel schützen empfindliche mRNA vor dem Abbau und schleusen sie in Zellen, die daraufhin das Antigen selbst herstellen. Sie bestehen in der Regel aus vier Lipidarten, darunter ein ionisierbares Lipid, das die mRNA bindet und im Zellinneren freigibt. Den Aufbau im Detail beschreibt der Artikel Lipid-Nanopartikel: Die Technik hinter mRNA-Impfstoffen. Lipid-Nanopartikel sind zugleich ein Bindeglied zur Nanomedizin, wo sie auch für andere Wirkstoffe genutzt werden.

Proteinnanopartikel

Bei dieser Plattform bilden Proteine ein regelmäßiges Gerüst, etwa nach dem Vorbild natürlicher Eisen-Speicherproteine oder nach Computerentwurf. An dieses Gerüst werden Antigene gekoppelt, teilweise sogar mehrere verschiedene Varianten eines Erregers auf einem Partikel. Ziel ist eine breitere Immunantwort, die auch Varianten abdeckt. Ein Covid-19-Impfstoff auf Basis eines computerentworfenen Proteinnanopartikels erhielt 2022 eine Zulassung in Südkorea. Gegen Influenza, RSV und andere Erreger werden solche Partikel in klinischen Studien geprüft.

Partikuläre Adjuvanzien

Adjuvanzien sind Wirkverstärker, die einem Impfstoff zugesetzt werden. Viele davon sind selbst Partikel: Aluminiumsalze bilden Teilchen, an denen das Antigen haftet, Öl-in-Wasser-Emulsionen bestehen aus feinen Tröpfchen, und einige neuere Adjuvanzien nutzen Liposomen oder Saponin-Lipid-Partikel. Sie sorgen dafür, dass Immunzellen angelockt und aktiviert werden. Auch das ist im weiteren Sinn Nanotechnologie im Impfstoff.

Was im Körper nach der Impfung passiert

Unabhängig von der Plattform folgt die Immunantwort einem gemeinsamen Muster. Der Vergleich der Plattformen wird verständlicher, wenn man die Schritte kennt:

1. Erkennung an der Einstichstelle: Immunzellen im Gewebe nehmen die Partikel auf. Adjuvanzien sorgen dafür, dass dabei Alarmsignale entstehen, die weitere Zellen anlocken.
2. Wanderung in den Lymphknoten: Dendritische Zellen tragen Bruchstücke des Antigens in den nächsten Lymphknoten. Kleine Partikel gelangen auch direkt über die Lymphe dorthin.
3. Aktivierung von T-Zellen: Helfer-T-Zellen erkennen die präsentierten Bruchstücke und unterstützen B-Zellen. Zytotoxische T-Zellen werden besonders dann angeregt, wenn das Antigen in der Zelle selbst entsteht, wie bei mRNA-Impfstoffen.
4. Bildung von Antikörpern: B-Zellen, deren Rezeptoren das Antigen binden, vermehren sich, reifen und bilden Antikörper. Partikel mit vielen gleichen Antigenen unterstützen diesen Schritt.
5. Gedächtnis: Ein Teil der B- und T-Zellen bleibt als Gedächtniszellen erhalten und reagiert bei späterem Kontakt mit dem Erreger schneller.

Welche dieser Schritte eine Plattform besonders gut anstößt, unterscheidet sich. VLPs und Proteinnanopartikel sind stark bei der Antikörperbildung, mRNA in Lipid-Nanopartikeln regt zusätzlich T-Zell-Antworten an. Adjuvanzien beeinflussen, in welche Richtung sich die Antwort entwickelt.

Wie Nanovakzine hergestellt und geprüft werden

Ob ein Partikelimpfstoff funktioniert, hängt stark von seiner Qualität ab. Größe, Größenverteilung, Oberflächenladung und Stabilität müssen von Charge zu Charge gleich bleiben. Hersteller nutzen dafür Messmethoden wie dynamische Lichtstreuung, Elektronenmikroskopie oder chromatografische Verfahren. In der EU prüft die Europäische Arzneimittel-Agentur im zentralen Verfahren Wirksamkeit, Sicherheit und pharmazeutische Qualität, in Deutschland ist das Paul-Ehrlich-Institut für Impfstoffe zuständig und an Chargenfreigabe und Überwachung beteiligt.

Nanovakzine und klassische Impfstoffe im Vergleich

Die Grenzen sind fließend. Entscheidend ist, dass bei Nanovakzinen die Partikelstruktur bewusst genutzt wird, um Aufnahme, Transport oder Präsentation des Antigens zu steuern.

Sicherheit und Nebenwirkungen

Wie alle Impfstoffe können Nanovakzine Reaktionen hervorrufen, meist vorübergehend an der Einstichstelle oder als allgemeines Krankheitsgefühl. Dass ein Impfstoff Nanopartikel enthält, macht ihn nicht grundsätzlich riskanter, denn die Partikel bestehen aus Proteinen, Lipiden oder anderen abbaubaren Bausteinen und werden in sehr kleinen Mengen verabreicht. Bestimmte Bestandteile wie PEG-Lipide werden dennoch wissenschaftlich beobachtet, weil sehr selten Überempfindlichkeitsreaktionen auftreten können. Welche Nebenwirkungen bekannt sind, steht in der Gebrauchsinformation. Die Pharmakovigilanz der Behörden wertet Meldungen fortlaufend aus.

Offene Forschungsfragen

• Wie lassen sich Immunantworten erzeugen, die länger anhalten und Varianten eines Erregers abdecken?
• Können Nanovakzine auch starke T-Zell-Antworten auslösen, etwa für therapeutische Impfungen gegen Krebs?
• Wie werden Partikelimpfstoffe hitzestabiler, damit sie ohne durchgehende Kühlkette verteilt werden können?
• Welche Rolle können Schleimhautimpfungen, etwa über die Nase, mit Partikeln spielen?

Viele dieser Ansätze sind in frühen Studienphasen. Aussagen über Wirksamkeit gelten immer nur für das konkret geprüfte Produkt und die untersuchte Gruppe.

Fazit

Nanovakzine nutzen eine einfache Erkenntnis: Das Immunsystem reagiert besonders gut auf Teilchen in Virusgröße mit vielen gleichen Antigenen auf der Oberfläche. Virusähnliche Partikel sind seit Jahrzehnten bewährt, Lipid-Nanopartikel haben mRNA-Impfstoffe möglich gemacht, und Proteinnanopartikel erweitern die Möglichkeiten weiter. Für Entscheidungen über die eigene Impfung sind die Empfehlungen der Ständigen Impfkommission und die ärztliche Beratung maßgeblich.