Gezielt entwickelte Zika-Impfstoffe verhinderten bei Mäusen Infektionen der Föten und eine Verstärkung von Dengue, nicht aber bei Rhesusaffen

Zwei Impfstoffdesigns berücksichtigten Schutz und Sicherheit zugleich

Zwei experimentelle Zika-Impfstoffe, MutB und MutC, schützten Mäuse nach einer einzigen Immunisierung vor dem Zika-Virus, verhinderten die Übertragung von trächtigen Mäusen auf ihre Föten und führten zu Immunserum, das in den berichteten Experimenten eine Infektionsverstärkung durch keines der vier Dengue-Virus-Serotypen bewirkte. Die am 15. Juli 2021 in Nature Immunology veröffentlichte Studie ging ein schwieriges Impfstoffproblem an: Antikörper gegen ein Virus können eine Infektion mit einem verwandten Virus mitunter verschlimmern.

Die Unterscheidung zwischen diesem Befund und einer Behauptung über einen mRNA-Impfstoff bei Rhesusaffen ist wesentlich. In der Studie zu MutB und MutC kamen Vektoren auf Basis des Schimpansen-Adenovirus AdC7 und Mausmodelle zum Einsatz. Es handelte sich weder um eine Studie zu einem mRNA-Impfstoff noch wurden darin Experimente mit Rhesusaffen berichtet. Die Ergebnisse stützen einen Ansatz für ein sichereres Antigendesign, belegen aber nicht, dass ein mRNA-Impfstoff dieses Risiko bei Primaten oder Menschen verringert hat.

Das Chinesische Zentrum für Krankheitskontrolle und -prävention beschreibt in seiner Forschungszusammenfassung von 2021, wie die Forschenden drei wichtige Aminosäuren im Hüllprotein des Zika-Virus veränderten. Ziel war es, die Immunantwort von einem Antikörperziel wegzulenken, das mit einer Verstärkung von Dengue-Infektionen in Verbindung gebracht wird, und zugleich die Ziele beizubehalten, die einen Schutz vor Zika hervorrufen.

Zum Team gehörten Gao Fu, Dai Lianpan und Yan Jinghua vom Institut für Mikrobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften als korrespondierende Autoren. Dai, Xu Kun von der Hainan Medical University und Li Jinhe von den Beijing Institutes of Life Science waren gemeinsame Erstautoren. Ihr Artikel trug den Titel Protective Zika vaccines engineered to eliminate enhancement of dengue infection via immunodominance switch.

Warum Antikörper ein Sicherheitsrisiko darstellen können

Die antikörperabhängige Verstärkung, kurz ADE, tritt auf, wenn Antikörper an ein Virus binden, es aber nicht wirksam neutralisieren und ihm dabei helfen, in bestimmte Immunzellen einzudringen. Diese Zellen haben Rezeptoren, die den an das Virus gebundenen Antikörper erkennen. Statt die Infektion zu stoppen, kann diese Wechselwirkung sie in anfälligen Zellen verstärken.

Diese Sorge ist bei Zika und Dengue besonders relevant, weil ihre Oberflächenproteine gemeinsame Antikörperziele aufweisen. Beide Viren können außerdem von der Gelbfiebermücke Aedes aegypti übertragen werden, und ihre Verbreitungsgebiete überschneiden sich. Ein Impfstoff, der vor Zika schützen soll, muss daher auch im Hinblick auf mögliche Auswirkungen auf eine spätere Dengue-Infektion untersucht werden.

Der 2018 veröffentlichte und über PubMed Central verfügbare wissenschaftliche Übersichtsartikel Zika Virus Vaccines beschreibt eine praktische Warnung am Beispiel von Dengvaxia. Kinder ohne frühere Dengue-Infektion, die diesen Dengue-Impfstoff erhalten hatten, waren anfälliger für schwere Dengue-Komplikationen als ungeimpfte Kinder. Daraufhin wurde der Einsatz des Impfstoffs auf den Philippinen ausgesetzt. Diese Erfahrung zeigt, warum eine frühere Infektion bei der Bewertung der Impfstoffsicherheit eine Rolle spielen kann.

Sie belegt nicht, dass jeder Impfstoff gegen ein Flavivirus dieselbe Gefahr birgt. Gelbfieber und die Japanische Enzephalitis gehören zwar zur selben größeren Virusgruppe, doch die hier erörterten Befunde betreffen bestimmte Antikörperantworten, Impfstoffdesigns und Infektionsabfolgen. ADE als allgemeines Hindernis für alle Impfstoffe dieser Virusfamilie zu behandeln, ginge über diese Befunde hinaus.

Die Abfolge der Infektionen ist entscheidend

Der Übersichtsartikel von 2018 unterschied zwischen Dengue-Immunität mit anschließender Zika-Infektion und Zika-Immunität mit anschließender Dengue-Infektion. Dabei handelt es sich um unterschiedliche biologische Situationen, und die Ergebnisse zur einen lassen sich nicht automatisch zur Erklärung der anderen heranziehen.

Damals hatten Experimente mit Rhesusaffen, die zuvor eine Dengue-Immunität entwickelt hatten, nach einer Zika-Exposition keine erhöhte Viruslast oder schwerere Erkrankung gezeigt. Auch vorläufige Erkenntnisse beim Menschen deuteten nicht darauf hin, dass eine bestehende Dengue-Immunität zu einer schwereren Zika-Erkrankung führte. Bei der umgekehrten Abfolge hatten Studien mit nichtmenschlichen Primaten jedoch nach einer Exposition mit dem Dengue-Serotyp 2 erhöhte Viruskonzentrationen und Entzündungssignale bei Tieren festgestellt, die zuvor mit Zika infiziert worden waren.

Die 2021 veröffentlichte Zusammenfassung des chinesischen Zentrums für Krankheitskontrolle und -prävention verwies auf eine 2020 in Science veröffentlichte Kohortenstudie mit Menschen. Diese ergab, dass eine frühere Zika-Infektion den Schweregrad einer späteren Dengue-Infektion erhöhte. Der spätere Befund unterstrich, warum die Sicherheit gegenüber Dengue bei der Entwicklung eines Zika-Impfstoffs untersucht werden sollte. Für sich genommen zeigte er jedoch nicht, dass ein bestimmter Zika-Impfstoff schweres Dengue verursachen würde.

Das Ziel verändern, ohne das Protein zu beschädigen

Die Forschenden konzentrierten sich auf die Fusionsschleife, einen Bereich des Zika-Hüllproteins, auch E-Protein genannt. Ein Epitop ist ein bestimmter Teil eines Moleküls, den ein Antikörper erkennt. Die Fusionsschleife enthält ein Epitop, das Antikörper anziehen kann, die an verwandte Viren binden, ohne sie zuverlässig zu neutralisieren.

Eine einfache Veränderung dieses Bereichs kann ein weiteres Problem schaffen. Die Fusionsschleife ist bei verwandten Viren stark konserviert, das heißt, ihre Sequenz ist im Lauf der Evolution ähnlich geblieben. Wird sie unbedacht verändert, kann die Proteinstruktur beschädigt werden und die Fähigkeit des Impfstoffs, eine nützliche Immunität hervorzurufen, abnehmen.

Stattdessen ersetzte das Team die Sequenz der Zika-Fusionsschleife durch eine entsprechende Sequenz eines evolutionär weit entfernten Flavivirus, das ausschließlich Insekten befällt. Durch diesen Austausch wurden drei Aminosäuren verändert, die für die Bindung von mit ADE in Verbindung gebrachten Antikörpern wichtig sind. Anschließend prüften die Forschenden die modifizierten Proteine mit schützenden Antikörpern und mit Antikörpern, die mit einer Verstärkung in Verbindung gebracht werden, um Designs zu finden, die die erwünschte Erkennung bewahrten und die unerwünschte beseitigten.

Zwei ausgewählte Designs, MutB und MutC, wurden in AdC7-Impfstoffe eingebaut. Ein Adenovirusvektor ist ein Transportmittel, das genetische Anweisungen für ein Antigen überträgt. Ein mRNA-Impfstoff verwendet Boten-RNA, um solche Anweisungen zu übermitteln. Beide können dem Immunsystem ein gezielt entwickeltes Antigen präsentieren, sind aber unterschiedliche Impfstoffplattformen. Ergebnisse mit einer Plattform belegen nicht die Leistungsfähigkeit der anderen.

Was in den Mausversuchen geschah

Nach einer einzigen Immunisierung schützten sowohl MutB als auch MutC Mäuse vor einer experimentellen Zika-Exposition. Laut der Zusammenfassung des chinesischen Zentrums für Krankheitskontrolle und -prävention wurde in den untersuchten Zielgeweben kein Virus nachgewiesen. Die Reaktion wird als sterile Immunität beschrieben, also als ein Schutz, der stark genug ist, um eine nachweisbare Infektion zu verhindern und nicht lediglich die Symptome zu lindern.

Bei trächtigen Mäusen verhinderten die Impfstoffe außerdem die Übertragung auf die Föten. In den untersuchten Plazenten und fötalen Gehirnen wurde keine Viruslast nachgewiesen. Dies war ein zentrales Ergebnis, da zu den schwerwiegendsten Folgen einer Zika-Infektion während der Schwangerschaft Mikrozephalie und andere Geburtsfehler gehören.

Diese Ergebnisse müssen im Rahmen ihres experimentellen Kontexts betrachtet werden. Dass in den untersuchten Mausgeweben kein Virus nachweisbar war, beweist nicht, dass ein Impfstoff jede Infektion eines menschlichen Fötus verhindert. Die Zusammenfassung nennt weder die Zahl der Versuchstiere noch die Nachweisgrenzen im Detail oder die Dauer des Schutzes, die eine umfassendere Beurteilung von Ausmaß und Beständigkeit der Wirkung ermöglichen würden.

Das Ergebnis bei trächtigen Mäusen beantwortet zudem eine anspruchsvollere Frage als die, ob ein Impfstoff die Viruskonzentration im Blut senkt. Der Übersichtsartikel von 2018 merkte an, dass einige frühere Impfstoff- und Antikörperexperimente die Infektion zwar erheblich verringerten, in manchen Plazenten oder fötalen Geweben aber weiterhin nachweisbare Zika-RNA zurückließen. Schutz der Mutter und vollständige Verhinderung einer Exposition des Fötus hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe.

Tests mit allen vier Dengue-Serotypen

Das Team prüfte in Labor- und Tierversuchen, ob Serum von geimpften Tieren eine Dengue-Infektion verstärken konnte. Dengue hat vier Serotypen, also unterschiedliche Formen des Virus, die bei dieser Sicherheitsbewertung einzeln betrachtet werden müssen. Die berichteten Ergebnisse zu MutB und MutC umfassten alle vier.

Das Serum von Tieren, die die modifizierten Impfstoffe erhalten hatten, zeigte in den beschriebenen Tests keine Dengue-ADE. Auch Serumübertragungsversuche, bei denen Serum geimpfter Tiere auf Empfängertiere übertragen wurde, ergaben keine mit MutB oder MutC verbundene Verstärkung. Solche Experimente helfen dabei, den Beitrag zirkulierender Antikörper von anderen Bestandteilen der Impfstoffantwort abzugrenzen.

Der Vergleich mit dem unveränderten, sogenannten Wildtyp-Konstrukt war wichtig. Serum, das mit diesem Konstrukt in Verbindung stand, verschlimmerte die Erkrankung und beschleunigte in den Tierversuchen den Tod. Der Unterschied stützt die Annahme, dass das Antigendesign das Verhalten der Antikörperantwort veränderte und nicht lediglich einen Impfstoff hervorbrachte, der vor Zika schützte.

Dass unter den getesteten Bedingungen keine ADE festgestellt wurde, bedeutet nicht, dass ADE unter allen denkbaren Bedingungen ausgeschlossen ist. Antikörperkonzentration, frühere Infektionen und der zeitliche Abstand zur Impfung müssten in weiteren Studien berücksichtigt werden. Der Übersichtsartikel von 2018 forderte ausdrücklich, in Primatenstudien und klinischen Prüfungen bestehende Antikörper gegen Flaviviren sorgfältig zu messen.

Wie sich die Immunantwort veränderte

Um herauszufinden, warum sich die modifizierten Designs anders verhielten, sequenzierten die Forschenden einzelne B-Zell-Rezeptoren von antigenspezifischen Zellen in den Lymphknoten von Mäusen. B-Zellen produzieren Antikörper, und ihre Rezeptoren geben Aufschluss darüber, welche Teile eines Antigens die Immunantwort dominieren.

Beim Wildtyp-Impfstoff verwendeten mehr als 60 % der analysierten B-Zell-Rezeptoren drei Gruppen von Keimbahngenen. Diese vererbten Gensegmente tragen zur Ausbildung der Erkennungsbereiche von Antikörpern bei. Bei MutB und MutC verteilte sich die Nutzung der Gene gleichmäßiger; die beim unveränderten Antigen beobachtete Konzentration wurde dadurch aufgebrochen.

Anschließend stellten die Forschenden repräsentative Antikörper aus den dominierenden Gruppen her. Die durch den Wildtyp-Impfstoff hervorgerufenen Antikörper zielten auf die Fusionsschleife, banden an alle vier Dengue-Serotypen und zeigten eine deutliche ADE. Dominante, durch MutB und MutC hervorgerufene Antikörper banden nur schwach an die Dengue-Serotypen und zeigten in den berichteten Tests keine ADE.

Die Strukturanalyse von MutC lieferte eine physikalische Erklärung. Das modifizierte Protein bewahrte die paarige Anordnung der E-Proteine, die für die Erkennung durch schützende Antikörper wichtig ist. An der veränderten Fusionsschleife beeinträchtigten Änderungen der Molekülform und der elektrischen Ladung die Bindung von Antikörpern, die mit einer Verstärkung in Verbindung gebracht werden. Zusammengenommen erklären die Rezeptoranalyse, die Antikörpertests und die Strukturanalyse den im Artikeltitel genannten Wechsel der Immundominanz: Die Immunantwort verlagerte sich weg von einem zuvor dominierenden Ziel.

Chronologie und Grenzen der Erkenntnisse

Die Ergebnisse sind Teil einer Forschungsreihe, die sich über mehrere Jahre erstreckte. Werden die Daten zeitlich getrennt betrachtet, lassen sich frühere Informationen zu klinischen Studien und spätere Ergebnisse aus Mausversuchen nicht fälschlich als neuer Durchbruch bei Impfstoffen für Primaten darstellen.

• 2015 bis 2016: Die Zika-Epidemie wurde zu einem internationalen Gesundheitsnotstand; Schäden bei Föten standen im Zentrum der Sorge.
• Ab 2016: Das chinesische Forschungsteam untersuchte Strukturen des Zika-E-Proteins und schützende Antikörper und schuf damit die Grundlage für die Neugestaltung des Antigens.
• 2018: Der wissenschaftliche Übersichtsartikel beschrieb Impfstoffstudien, Schutzversuche an Tieren und offene Fragen zur Verstärkung von Dengue-Infektionen und zum Schutz von Föten.
• 2020: Eine in der Zusammenfassung des chinesischen Zentrums für Krankheitskontrolle und -prävention zitierte Kohortenstudie mit Menschen brachte eine frühere Zika-Infektion mit einem schwereren Verlauf einer späteren Dengue-Infektion in Verbindung.
• 15. Juli 2021: Die Studie zu MutB und MutC wurde online in Nature Immunology veröffentlicht.

Der Übersichtsartikel von 2018 führte 13 laufende Zika-Impfstoffstudien mit verschiedenen Plattformen auf, darunter mRNA-, DNA- und Totimpfstoffe. Diese Zahlen beschreiben den damaligen Stand der Forschung und nicht den aktuellen Stand der Studien. Ebenso hielten Berichte von 2021 fest, dass damals kein Zika-Impfstoff zugelassen war; sie geben nicht Auskunft über den heutigen Zulassungsstand.

Die Ergebnisse zu MutB und MutC liefern weder Wirksamkeitsdaten beim Menschen noch Sicherheitsdaten zu Schwangerschaften bei Menschen oder einen Zeitplan für klinische Prüfungen. Künftige Anhörungen, Zulassungsentscheidungen oder Termine für den Beginn von Studien werden nicht genannt. Weitere Untersuchungen müssten die Dauer des Schutzes, eine vorherige Dengue-Exposition, den Schutz während der Schwangerschaft und die Frage berücksichtigen, ob die Antikörperantwort günstig bleibt, wenn sich ihre Stärke im Lauf der Zeit verändert.

Der Fortschritt ist daher klar umrissen: Eine gezielte Veränderung des Antigens bewahrte den Schutz vor Zika und beseitigte in den Mausversuchen eine nachweisbare Verstärkung von Dengue-Infektionen. Die Ergebnisse liefern Belege für eine Designstrategie, während die gesonderten Aufgaben der Untersuchung an Primaten, der klinischen Prüfung und der behördlichen Bewertung noch ausstehen.

Die wichtigsten Punkte

• MutB und MutC waren AdC7-Vektorimpfstoffe, die an Mäusen getestet wurden, keine mRNA-Impfstoffe, die an Rhesusaffen getestet wurden.
• Eine einzige Immunisierung schützte Mäuse vor Zika und verhinderte in den berichteten Experimenten eine nachweisbare Übertragung auf fötales Gewebe.
• Das Immunserum zeigte unter den getesteten Bedingungen keine ADE gegen einen der vier Dengue-Serotypen.
• Beim Design wurden drei wichtige Aminosäuren in der Fusionsschleife des E-Proteins verändert, während die Ziele schützender Antikörper erhalten blieben.
• B-Zell- und Strukturanalysen stützten einen Wechsel weg von Antikörpern, die mit einer Verstärkung von Dengue-Infektionen in Verbindung gebracht werden.
• Die Studie wurde am 15. Juli 2021 veröffentlicht und belegte weder Sicherheit noch Wirksamkeit beim Menschen.