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Überblick

Coronavirus: Wie die Impfstoffe funktionieren – und welche Nebenwirkungen bekannt sind

  • Pamela Dörhöfer
    vonPamela Dörhöfer
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Zur Bekämpfung der Corona-Pandemie wird händeringend ein Gegenmittel gesucht. Zum Teil ist die Entwicklung weit fortgeschritten. Welcher Impfstoff Potenzial hat – und welche Nebenwirkungen drohen.

  • Das Coronavirus hat den ganzen Globus mit rasender Geschwindigkeit erobert.
  • Nach einem Impfstoff gegen Sars-CoV-2 wird seit Beginn der Corona-Pandemie mit Hochdruck geforscht.
  • Die verschiedenen Impfstoffe, ihre Funktionsweise, Wirksamkeit, Hersteller, mögliche Nebenwirkungen, sowie Vor- und Nachteile in der Übersicht.

In vielen Familien ist es dieser Tage ein wichtiges Thema: Wie und wann lassen wir uns impfen? Wie funktionieren die verschiedenen Impfstoffe, von denen immer wieder die Rede ist? Sind Nebenwirkungen bekannt? FR-Wissenschaftsredakteurin Pamela Dörhöfer mit einem Überblick.

Genbasierte Impfstoffe

mRNA-Impfstoffe

Das Prinzip: Die ersten Vakzine, die in Deutschland eingesetzt werden, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit mRNA-Impfstoffe. Man injiziert sie mit einer Spritze in den Muskel, bevorzugt des nicht dominanten Oberarms. mRNA-Impfstoffe beruhen auf einer neuartigen Technologie, die sich wesentlich von der herkömmlicher Vakzine unterscheidet. Dem Organismus wird das Antigen weder direkt noch komplett zugeführt, sondern nur die genetische Information für bestimmte Bestandteile eines Erregers. Bei mRNA-Impfstoffen besteht sie aus synthetisch hergestellter Messenger-RNA (deutsch: Boten-RNA). Die einzelsträngige Ribonukleinsäure (RNA) ist das Material, aus dem das Erbgut des Coronavirus gebildet wird. Der Impfstoff beinhaltet die Erbinformation für das Spike-Protein, das auf der Oberfläche von Sars-CoV-2 sitzt und an die Wirtszellen andockt. Diese Erbinformation dient als Bauplan, nachdem die Zellen von Geimpften das Virusprotein selbst herstellen sollen. Das ist möglich, weil der genetische Code universell ist und auch der menschliche Körper regelmäßig mRNA als Kopiervorlage erzeugt, um eigene Proteine zu synthetisieren. Im Falle des Impfstoffs übernehmen diese Aufgabe – zeitlich begrenzt – die Muskelzellen rund um die Einstichstelle. Nach getaner Arbeit soll das Immunsystem die fremden Proteine als nicht körpereigen erkennen und über die Bildung von Antikörpern und T-Gedächtniszellen vernichten. Damit dieses Prinzip funktioniert, muss die mRNA anders als traditionelle Impfstoffe ins Innere der Zellen gelangen. Zu diesem Zweck wird sie in Lipid-Nanopartikel gepackt. Diese Hülle ist zudem notwendig, weil eine nackte mRNA zu instabil wäre. Nach Verabreichung des Impfstoffs verschmilzt die Lipidhülle mit der Zellmembran und gibt die mRNA frei.

Entwickler/Hersteller: Auf mRNA-Impfstoffe setzen etwa das Mainzer Unternehmen Biontech in einer Kooperation mit dem US-Pharmakonzern Pfizer sowie der US-Pharmakonzern Moderna. Beide Impfstoffe könnten bereits ab Mitte Dezember Millionen von Menschen verabreicht werden. Die Vakzine sind sehr ähnlich, ein Unterschied besteht in der enthaltenen Menge an mRNA pro Dosis, die im Produkt von Moderna höher ist. In Deutschland arbeitet auch das Tübinger Unternehmen Curevac an einem mRNA-Impfstoff, der sich derzeit in einer klinischen Phase-2-Studie befindet.

Wirksamkeit: Biontech und Pfizer gaben die Wirksamkeit zunächst mit rund 90 Prozent an, erhöhten kurz darauf auf 95 Prozent. Moderna beziffert die Wirksamkeit seines Impfstoffs auf 94,5 Prozent.

Nebenwirkungen: Bislang sollen bei den klinischen Studien mit Zehntausenden Freiwilligen keine schwerwiegenden Komplikationen beobachtet worden sein, nur Nebenwirkungen, wie sie bei vielen Impfungen möglich sind: Unwohlsein, Abgeschlagenheit, Kopf- und Muskelschmerzen, Rötung und Schwellungen an der Einstichstelle. All diese Beschwerden sollen nur wenige Tage angehalten haben. Ob sehr seltene Nebenwirkungen wie Autoimmunreaktionen und Langzeitfolgen möglich sind, lässt sich noch nicht ausschließen. Das wird man wissen, wenn sehr viele Menschen unterschiedlichen Alters und gesundheitlichen Zustands geimpft wurden.

Vorteile: Impfstoffe auf mRNA-Basis lassen sich schneller, kostengünstiger und in größeren Mengen herstellen als konventionelle Impfstoffe, weil unter anderem Sicherheitsvorkehrungen für den Umgang mit Viren entfallen, ebenso deren aufwendige chemische Bearbeitung und Kultivierung im Labor.

Nachteile: Es gibt bislang keine Erfahrungen mit mRNA-Impfstoffen. Zwar befinden sich einige in der Entwicklung, darunter Vakzine gegen Grippe, Tollwut, Zika oder Ebola, doch vor Corona wurde noch nie ein Impfstoff auf dieser Basis zugelassen oder eingesetzt. Der Impfstoff von Biontech und Pfizer muss bei extrem niedrigen Temperaturen von minus 70 Grad gelagert werden, das erschwert den Einsatz vor allem in Ländern, wo eine konstante Kühlkette schwer zu halten ist. Der Impfstoff von Moderna soll aber auch bei minus 20 Grad sechs Monate lang gelagert werden können – eine Temperatur, die auch ein handelsüblicher Gefrierschrank erreicht.

Genbasierter Impfstoff gegen Corona: DNA-Impfstoffe

DNA-Impfstoffe

Das Prinzip: DNA-Impfstoffe funktionieren ähnlich wie mRNA-Impfstoffe, verwenden aber die doppelsträngige Desoxyribonukleinsäure (DNA) als Trägerin der Erbinformation des Antigens und benötigen daher einen Schritt mehr. Denn anders als die mRNA muss die DNA zunächst in den Zellkern gelangen und dort in Form von mRNA abgelesen werden. Diese mRNA begibt sich dann aus dem Zellkern hinaus – und anschließend beginnt wie bei den mRNA-Impfstoffen die Produktion des Virusproteins.

Entwickler/Hersteller: An einem DNA-Impfstoff arbeitet etwa das Konsortium „OpenCorona“ unter der Leitung des schwedischen Karolinska-Instituts. Auch die Universität Gießen ist an diesem Projekt beteiligt.

Wirksamkeit: Da die Entwicklung noch nicht so weit fortgeschritten ist wie bei den mRNA-Impfstoffen, lässt sich dazu noch keine Aussage treffen.

Nebenwirkungen: Noch nicht bekannt.

Vorteile: Die Vorteile sind die gleichen wie bei mRNA-Impfstoffen. Zudem können DNA-Impfstoffe auch ohne Spritze verabreicht werden, etwa über Impfpistolen.

Nachteile: Wie mRNA-Impfstoffe wurden auch DNA-Impfstoffe noch nie in der Praxis erprobt. Anders als bei der mRNA wäre es zumindest theoretisch möglich, dass die mit dem Impfstoff eingebrachte DNA in das Erbgut der Wirtszelle integriert wird. Die Folge könnte schlimmstenfalls ein erhöhtes Tumorrisiko sein. Allerdings gilt die Integration der Impf-DNA in das Erbgut menschlicher Zellen in der Wissenschaft als äußerst unwahrscheinliches Szenario, für das es bislang keine Hinweise gibt.

Probelauf im Ulmer Messezentrum für die Massenimpfungen.

Mittel gegen die Corona-Pandemie: Vektorvirus-Impfstoffe

Vektorvirus-Impfstoffe

Das Prinzip: Auch hierbei handelt es sich um ein innovatives, genbasiertes Verfahren, das etwas komplexer ist als bei mRNA-Impfstoffen: Es nutzt Impfviren, die für Menschen harmlos sind und sich nicht mehr vermehren können, als Transportmittel. In diese Impfviren wird ein Stück Erbmaterial des Erregers – die genetische Information für das Spike-Protein – eingebaut. Per Spritze wird dieses Trojanische Pferd mitsamt Fracht in den Körper gebracht. Dort sollen die Muskelzellen in der Einstichregion das Virusprotein produzieren und dieses dann die bekannte Abwehrreaktion auslösen. In Deutschland arbeitet ein Team des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung, der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Universitätsklinikums Marburg und des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf an einem Impfstoff mit einem unschädlichen Pockenvirus als Vektor. Das britisch-schwedische Pharmaunternehmen AstraZeneca und die Oxford Universität verwenden dafür ein abgeschwächtes Adenovirus (ein Schnupfenerreger) von Schimpansen. Auch der russische Impfstoff Sputnik V ist ein Vektorvirus-Vakzin und beruht auf einem Adenovirus als Transportmittel.

Entwickler/Hersteller: Vektorimpfstoffe werden unter anderem entwickelt von AstraZeneca und der Oxford Universität, dem US-Pharmakonzern Johnson & Johnson und dem Gamaleya Institut für Epidemiologie und Mikrobiologie in Moskau.

Wirksamkeit: Der Hersteller des russischen Impfstoffs Sputnik V gab eine Wirksamkeit von 95 Prozent an, mit dem Vakzin sollen bereits Menschen außerhalb der Studien geimpft worden sein. Beim Impfstoff von AstraZeneca ist die Wirksamkeit nicht ganz klar, da es bei der Studie zu einem Fehler kam. Aus Versehen erhielten einige Teilnehmer:innen bei der ersten von zwei Dosen nur die Hälfte des Impfstoffs. Kurioserweise fiel die Wirksamkeit bei dieser Gruppe mit 90 Prozent wesentlich besser aus als bei jenen, die beide Dosen in der vorgesehenen Höhe erhielten; bei ihnen lag die Effektivität nur bei 62 Prozent. Insgesamt gaben AstraZeneca und die Universität Oxford eine durchschnittliche Wirksamkeit von 70 Prozent an. Die Studienergebnisse werden nochmals geprüft. Der Impfstoff des deutschen Forschungsteams geht Ende 2020 in die letzte Studienphase.

Nebenwirkungen: Wie bei den mRNA-Impfstoffen sollen nur moderate Nebenwirkungen aufgetreten sein. AstraZeneca als auch Johnson & Johnson mussten aber ihre Studien kurzzeitig unterbrechen, weil bei einzelnen Teilnehmer:innen Erkrankungen mit ungeklärter Ursache aufgetreten waren.

Vorteile: Im Vergleich zu mRNA-Impfstoffen benötigen Vektorimpfstoffe weit weniger niedrige Temperaturen. Sie können meist bei zwei bis acht Grad gelagert werden.

Nachteile: Mit Vektorvirus-Impfstoffen gibt es etwas mehr Erfahrung als mit mRNA-Vakzinen, aber auch sie wurden noch nicht breit eingesetzt. Ein mögliches Risiko könnte sein, dass das Immunsystem nach der ersten Dosis Antikörper gegen die Impfviren bildet und diese beim nächsten Mal vernichtet, bevor sie ihr Ziel erreicht haben. Das könnte die Wirkung der zweiten Dosis abschwächen. Der Vektor-Impfstoff von Johnson & Johnson soll anders als die meisten potenziellen Corona-Impfstoffe mit einer Dosis auskommen.

Das Coronavirus könnte auch mit klassischen Impfstoffen bekämpft werden

Totimpfstoffe

Das Prinzip: Totimpfstoffe bestehen aus inaktivierten Erregern. Im Fall von Sars-CoV-2 bilden Coronaviren, die aus dem Blut infizierter Patient:innen isoliert und in Zellkulturen vermehrt wurden, die Basis. Unter strengen Sicherheitsbedingungen werden diese Erreger chemisch und physikalisch gereinigt und unschädlich gemacht, sodass sie Menschen nicht mehr infizieren und sich in ihnen auch nicht mehr vermehren können – wohl aber in der Lage sind, eine Abwehrreaktion und damit Immunität hervorzurufen.

Entwickler/Hersteller: In China setzt man fast nur auf traditionelle Totimpfstoffe, dort arbeiten mehrere Forschungseinrichtungen und Pharmafirmen an Vakzinen auf dieser Basis.

Wirksamkeit: Die China National Biotec Group und das Beijing Institute of Biological Products haben einen gemeinsamen Totimpfstoff entwickelt und bereits breit getestet, ihren Angaben zufolge auch an vielen Menschen über 60 Jahren. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin „The Lancet Infectious Diseases“ soll der Wirkstoff bei allen Teilnehmer:innen nachweisbar zur Produktion von Antikörpern geführt haben, wobei die Reaktion bei den älteren etwas länger gedauert und etwas schwächer ausgefallen sein soll.

Nebenwirkungen: Mit dem Vakzin der China National Biotec Group und des Beijing Institute of Biological Products soll bereits eine Million Menschen geimpft worden sein. Dabei seien nach Angaben der Hersteller nur leichte Symptome aufgetreten.

Vorteile: Das Impfen mit Totimpfstoffen hat sich über viele Jahrzehnte lang bewährt, es gilt als sicher und effektiv. Viele verbreitete Impfungen basieren auf diesem Verfahren, etwa gegen Tetanus, Diphtherie oder Keuchhusten.

Nachteile: Totimpfstoffe mit inaktivierten Erregern sind aufwendig und langwierig in der Herstellung, der Umgang mit dem Material erfordert besondere Sicherheitsvorkehrungen. Außerdem müssen bei inaktivierten Erregern manchmal Wirkstoffverstärker, sogenannte Adjuvantien, eingesetzt werden, um die gewünschte Immunantwort zu erzielen.

Impfstoffe mit viralen Proteinen

Das Prinzip: Diese Vakzine zählen zu den Totimpfstoffen, enthalten aber keinen ganzen inaktivierten Erreger, sondern nur bestimmte, für die Immunantwort notwendige Bestandteile. Diese werden meist gentechnisch und mit Hilfe von Hefezellen oder Bakterien hergestellt. Wie bei allen Impfstoffkandidaten gegen Sars-CoV-2 soll auch bei diesem Verfahren das Spike-Protein von der Oberfläche des Virus das Angriffsziel für das Immunsystem darstellen.

Entwickler/Hersteller: An einem „Protein Subunit“-Impfstoff aus einem gentechnisch hergestellten Spike-Protein und einem Wirkverstärker arbeiten unter anderem in einer Kooperation die beiden Pharmakonzerne und großen internationalen Impfstoffhersteller Sanofi (Frankreich) und Glaxo-Smith-Kline (Großbritannien). In Deutschland entwickelt das Biotechunternehmen Artes Biotechnology aus Langenfeld im Rheinland einen Impfstoff, für den Hefezellen genutzt werden, um Virusproteine zu herzustellen.

Wirksamkeit: Noch nicht bekannt. Sanofi und Glaxo-Smith-Kline wollen noch in diesem Jahr mit der letzten klinischen Studienphase III beginnen.

Nebenwirkungen: Noch nicht bekannt.

Vorteile: Impfstoffe mit viralen Proteinen gelten als nebenwirkungsarm. Sie werden unter anderem als Impfung gegen das Humane Papillomvirus (HPV) zum Schutz vor Gebärmutterhalskrebs und gegen Hepatitis A und B eingesetzt.

Nachteile: Die Erregerfragmente wären solo als Antigene nicht so wirksam, deshalb müssen Wirkungsverstärker beigegeben oder Impfungen häufiger wiederholt werden.

Lebendimpfstoffe

Das Prinzip: Für diese Impfstoffe werden sehr geringe Mengen eines Erregers unter anderem durch genetische Manipulation so stark abgeschwächt, dass die Viren sich nach der Impfung zwar noch eine Zeitlang vermehren, die Krankheit aber nicht mehr auslösen können. In seltenen Fällen können sie zu einer „Impfkrankheit“ führen, etwa bei der Masernimpfung zu einem nicht ansteckenden Ausschlag. Für das Coronavirus wird untersucht, ob ein bereits existierender Lebendimpfstoff Schutz vor einem schweren Verlauf von Covid-19 bieten kann. Im Fokus steht das Bacillus Calmette-Guérin (BCG), das als Impfung gegen Tuberkulose entwickelt wurde. Über eine Stimulierung des Immunsystems könnte es bei Covid-19 möglicherweise vor einem schweren Krankheitsverlauf schützen.

Entwickler/Hersteller: Am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie haben Forscher:innen eine besser verträgliche Variante von BCG entwickelt. Er wird vom Serum Institute of India in Zusammenarbeit mit der Vakzine Project Management GmbH Hannover hergestellt, eine Studie dazu läuft.

Wirksamkeit: Noch nicht bekannt.

Nebenwirkungen: Noch nicht bekannt.

Vorteile: Weil der modifizierte Tuberkulose-Impfstoff sich nicht gezielt gegen das Coronavirus richtet, sondern das Immunsystem anregt, könnten ihn mögliche Mutationen von Sars-CoV-2 vermutlich nicht beeinträchtigen.

Nachteile: Für Menschen, deren Immunsystem nicht richtig arbeitet – etwa, weil sie bestimmte Medikamente einnehmen –, sind Impfungen mit Lebendimpfstoffen nicht gut geeignet.

Rubriklistenbild: © Stefan Puchner/dpa

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