Malaria-Antigene in der Ära der mRNA-Impfstoffe

Der erste echte Impfstoff gegen Malaria gehört jedoch zu den Blutstadienimpfstoffen, d. h. zu den Impfstoffen, die sich auf das Blutstadium des Plasmodium-Lebenszyklus konzentrieren. Dieser Impfstoff heißt SPf66 (Serum Plasmodium falciparum Version 66) und basiert auf chemisch synthetisierten 45-Aminosäure-Peptiden, die aus Fraktionen von 4 verschiedenen Proteinen von Plasmodium falciparum stammen [23]. Der Impfstoff wurde in Kolumbien von dem Wissenschaftler Manuel Patarroyo entwickelt, der sein Patent an die Weltgesundheitsorganisation verschenkte. Schnell wurde er in Kolumbien als biomedizinischer Held gefeiert.⁶ Pilotversuche in Afrika zeigten jedoch eine eher geringe Wirkung. Die Zahl der Erstinfektionen mit P. falciparum wurde um 28 % gesenkt. Bei P. vivax zeigte SPf66 jedoch keine Wirkung. Das Gleiche galt für Krankenhauseinweisungen wegen schwerer Malaria [24]. Darüber hinaus zeigten Nachuntersuchungen, dass das Auftreten klinischer Malaria bei Kindern, die SPf66 erhielten, statistisch signifikant höher war. Dieser Effekt hängt auch mit der Dosis zusammen. Am ausgeprägtesten war er bei Kindern, die eine hohe Dosis (1,0 mg) von SPf66 erhielten [25, 70]. Heute spielt SPf66 keine Rolle mehr als potenzieller Impfstoff gegen Malaria. Andere Impfplattformen zeigen wesentlich bessere Wirkungen und Immunreaktionen.

Eines der besten Ergebnisse wird derzeit mit dem Impfstoff RTS,S/AS01 erzielt. Der Impfstoff, der unter dem Namen Mosquirix™ vermarktet wird, wird von der britischen Fa. GlaxoSmithKline hergestellt. Dieses Unternehmen hatte so hohe Erwartungen an sein Produkt, dass die für die Produktion erforderliche Infrastruktur aufgebaut und fertiggestellt wurde, bevor die ersten Ergebnisse der Wirksamkeitsstudien vorlagen [26]. In Studien erreichte RTS,S/AS01 eine Wirksamkeit von 30 % gegen unkomplizierte Malaria [27]. Ab April 2019 testet die WHO den Impfstoff in Afrika (Malawi, Kenia und Ghana) [27, 28]. Da RTS,S/AS01 der erste Impfstoff ist, der in einer Phase-4-Studie unter realen epidemiologischen Bedingungen getestet wird, stellt sich die Frage, ob die Entwicklung eines wirksamen Malaria-Impfstoffs nun in die Endphase eingetreten ist [27]. Allerdings gibt es auch kritische Punkte. So ist die Wirksamkeit mit 30 % recht gering [29, 71]. Darüber hinaus ist es möglich, dass RTS,S/AS01 die Sterblichkeit bei jungen Mädchen erhöht. Dies wurde in Studien gezeigt, aber es gibt verschiedene Interpretationen. So könnten die Ergebnisse auch statistisch bedingt sein (z. B. durch eine niedrigere Gesamtsterblichkeit in der weiblichen Kontrollgruppe). Weitere Studien und mehr Forschung sind erforderlich, um mehr Informationen zu erhalten [30, 72]. Auch die Dosierung und Auffrischung von RTS,S/AS01 ist derzeit Gegenstand der Forschung. Studien zeigen, dass bei älteren RTS-geimpften Kindern ein signifikanter Anstieg von schwerer Malaria zu verzeichnen ist, wenn sie keine Auffrischung erhalten haben [31, 73]. Die Dosierung ist eine weitere Frage, die durch Forschung geklärt werden muss [32].

PfSPZ ist ein weiterer Kandidat, der derzeit untersucht wird. Der Impfstoff wird von Sanaria Inc. in Rockville, Maryland, entwickelt. PfSPZ, das unter dem Namen Sanaria® vermarktet wird, verwendet strahlengeschwächte Sporozoiten, die sich weder teilen noch Krankheiten verursachen können. Diese geschwächten Sporozoiten sollen schützende Immunreaktionen hervorrufen. Der Name PfSPZ leitet sich von Pf für Plasmodium falciparum und SPZ für Sporozoiten ab. PfSPZ hat in kleinen Studien bereits gute Ergebnisse gezeigt [33, 34]. Drei Dosen von 5,12 • 10⁴ PfSPZ verhinderten eine Infektion bei 9 von 9 Freiwilligen. Zehn Wochen nach der letzten Dosis wurden die Probanden kontrolliert mit Malaria infiziert [34]. Wie bei anderen Impfungen und Medikamenten ist der Schutz mit PfSPZ dosisabhängig. Mit einer Dosis von 5,12 • 10⁴ PfSPZ wurde ein 100 %iger Schutz erreicht, mit einer Dosis von 3,2 • 10³ ein 67 %iger Schutz und mit einer Dosis von 1,28 • 10⁴ ein 33 %iger Schutz [34]. PfSPZ, auch als PfSPZ-CVac bezeichnet, ist ein hochwirksamer Impfstoffkandidat. Als Teil von kombinierten Massenmedikamentenverabreichungs- und Massenimpfungsprogrammen könnte er zur Eliminierung von Malaria eingesetzt werden, zumindest in geografisch definierten Gebieten [34].

Gentechnisch veränderte Plasmodien spielen in der Impfstoffforschung eine wichtige Rolle. Ein Beispiel ist „upregulated in infective sporozoites gene 3“ (UIS3). Dieses Gen ist essenziell für die Infektion des frühen Leberstadiums. UIS3-defiziente Sporozoiten infizieren Hepatozyten, sind aber nicht in der Lage, Infektionen im Blutstadium zu verursachen. Daher führen sie nicht zu Krankheiten. Diese defizienten Sporozoiten eignen sich für eine mögliche Impfung. Die Immunisierung mit UIS3-defizienten Sporozoiten bietet einen vollständigen Schutz gegen infektiöse Sporozoiten in einem Nagetiermodell [35]. Das Leberstadium von Plasmodium-Infektionen bleibt eines der besten Ziele für abgeschwächte Lebendimpfstoffe [36, 74].

Testosteron könnte in der Impfstoffforschung eine wichtige Rolle spielen. Studien haben gezeigt, dass das Wirtstestosteron einen Einfluss auf Plasmodien hat. So zeigte eine Studie von 1991, dass Testosteron die Selbstheilung von Plasmodium chabaudi verringert. Diese Verringerung hängt von der Dauer der Vorbehandlung des Wirts mit Testosteron ab. Bei einer einwöchigen Vorbehandlung war die Selbstheilung auf etwa 60 %, bei 2 Wochen auf 40 % und bei 3 Wochen auf 0 % reduziert [37, 75]. Dieser Verlust der Selbstheilungskräfte korreliert mit einer zunehmenden Expression von 5 Proteinen in den Milzzellen von Mäusen, die 3 Wochen lang mit Testosteron behandelt wurden, und einer gesteigerten Fähigkeit, die durch Concanavalin A ausgelöste proliferative Reaktion von T‑Zellen zu stimulieren [37]. Diese Ergebnisse wurden jedoch nur in vivo und nicht in vitro gezeigt. Daher kann davon ausgegangen werden, dass der Einfluss von Testosteron nicht direkt, sondern indirekt ist, d. h. durch einen Testosteronmetaboliten oder durch testosteroninduzierte Faktoren [37, 38].

Doch welche Oberflächenproteine könnten für eine mRNA-basierte Impfung geeignet sein? Am wahrscheinlichsten ist wohl eine Impfung, die auf dem CSP basiert. Abb. 4 zeigt die 3D-Struktur des CSP. Die Struktur besteht aus 3 Regionen: dem N‑Terminus, einer Wiederholungsregion mit 4 Aminosäuren und dem C‑Terminus. Der N‑Terminus ist in der Lage, Heparinsulfatproteoglykane zu binden. Der C‑Terminus besitzt eine thrombospondinähnliche „type‑1 repeat (TSR) domain“ [47]. CSP spielt eine wichtige Rolle im Lebenszyklus von Plasmodium. Es wird während der Bildung von Sporozoiten in der Stechmücke produziert und spielt eine wichtige Rolle bei der Wanderung des Parasiten vom Stechmückenwirt zum Säugetierwirt und der anschließenden Infektion von Leberzellen [79]. CSP (wie auch seine rekombinante Form) erscheint als ein stark verlängertes Protein (R(h) 4,2 bzw. 4,58 nm). Hochauflösende Mikroskopie zeigt flexible, stäbchenförmige Strukturen mit einem bandartigen Aussehen [47, 80]. Als potenzielles Impfstoffziel hat CSP mehrere Vorteile. Erstens ist CSP hoch konserviert und kommt in verschiedenen Stämmen von Malariaerregern vor (sowohl beim Menschen als auch bei nichtmenschlichen Primaten). Diese Konservierung deutet darauf hin, dass CSP durch natürliche Selektion erhalten geblieben ist. Mutationen in konservierten Sequenzen sind selten. Zweitens ist CSP das Protein, das im ersten zugelassenen Impfstoff gegen Malaria verwendet wird. RTS,S/AS01 ist der erste Impfstoffkandidat, der eine Phase-4-Studie unter realen epidemiologischen und operativen Bedingungen erreicht hat [27]. Diese Punkte machen CSP zu einem guten Kandidaten für zukünftige mRNA-basierte Impfstoffe. PubMed listet bereits erste Studien auf, die eine robuste Immunantwort zeigen. So konnten Forscher in Mäusen nach Injektion von CSP-mRNA eine funktionelle und schützende Immunantwort gegen den Erreger Plasmodium berghei nachweisen. Verwendet wurde ein transgener Parasitenstamm von P. berghei (PfCSP steht für „Plasmodium falciparum circumsporozoite protein“). Die Ergebnisse machen ihn zu einem überzeugenden Kandidaten für weitere Untersuchungen und deuten darauf hin, dass eine CSP-basierte mRNA-Impfung sehr wahrscheinlich ist [81]. Es ist jedoch fraglich, ob diese Impfung bereits 2022 in die klinische Phase eintreten kann.

Es gibt weitere Proteine, die für die mRNA-Forschung von Interesse sind. MSP‑1 ist eines von ihnen. MSP steht für Merozoitenoberflächenprotein. MSP spielen eine wichtige Rolle bei der Infektion von roten Blutkörperchen. Sie befinden sich auf der Merozoitenoberfläche und sind mit Glycophosphatidylinositol, einem Glykolipid, an der Membran verankert. MSP‑1 wird zu Beginn der Schizogenese synthetisiert und spielt eine entscheidende Rolle bei der Invasion der roten Blutkörperchen. Der MSP-1-Komplex bindet an Spectrin, ein Oberflächenprotein der roten Blutkörperchen. Eine ähnliche Rolle spielt auch MSP‑2, obwohl seine Funktion noch nicht geklärt ist. Ebenfalls unbekannt sind die Funktionen von MSP‑3, MSP‑6, MSP‑7 und MSP‑9 [48]. MSP‑1 ist für die Impfstoffforschung von besonderem Interesse. Impfstoffe und andere Medikamente, die auf die Merozoiten in ihrem ungeschlechtlichen erythrozytären Stadium abzielen, zielen normalerweise auf MSP‑1 ab. Die komplexe Struktur von MSP stellt jedoch eine Herausforderung für die Entwicklung von Impfstoffen dar. MSP sind nicht so konserviert wie CSP und weisen Sequenzvariationen zwischen verschiedenen Plasmodiumarten auf [49]. Dies stellt eine große Herausforderung für die Entwicklung von Impfstoffen dar und macht die Entwicklung von Impfstoffen zwar nicht unmöglich, wirft aber dennoch die Frage auf, ob Impfstoffe auf der Grundlage anderer Proteine nicht einfacher zu realisieren sind. Die mRNA von MSP‑1 ist 5466 Basenpaare lang [50]. Neben MSP‑1 ist auch MSP‑3 als Impfstoffantigen von Interesse [82].

Auch Rh5 spielt eine Rolle bei der Invasion von roten Blutkörperchen. Rh5 ist das kleinste Protein der Rh-Familie. Rh steht für Retikulozytenbindungsproteinhomolog. Zu der Familie gehören Rh1, Rh2a, Rh2b, Rh4 und Rh5. Die Besonderheit von Rh5 ist das Fehlen einer Transmembrandomäne. Dies ist einzigartig unter den Rh-Proteinen [51]. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Erythrozyteninvasion, da Rh5 mit dem Erythrozytenrezeptor Basigin (BSG) interagiert [52, 83]. Basigin ist ein Glykoprotein, das u. a. im Kohlenhydratstoffwechsel und bei der Immunsignaltransduktion eine Rolle spielt. Darüber hinaus ist BSG eine Determinante des Ok-Blutgruppensystems [53]. Studien haben bereits gezeigt, dass sowohl monoklonale als auch polyklonale Anti-Rh5-Antikörper in der Lage sind, Rh5-BSG-Interaktionen zu blockieren [51, 84]. Rh5 gilt als potenzieller Kandidat für Impfstoffe im Blutstadium. Das macht Rh5 auch für die mRNA-Forschung interessant, aber es gibt auch Schwierigkeiten. Rh5 funktioniert nicht isoliert, sondern nur als Teil eines Multiproteinkomplexes, der aus dem Rh5-interagierenden Protein, dem cysteinreichen Proteinantigen und P113 besteht. Dieser Komplex bindet besser an die Erythrozytenoberfläche als Rh5 allein [51, 54]. Dieser Punkt könnte mit fortschreitender Forschung wichtig werden. Darüber hinaus spielen Polymorphismen als Barrieren eine wichtige Rolle bei der Impfstoffentwicklung, zumindest für Impfstoffe im Blutstadium. Proteine, die während der Invasion dem Immunsystem ausgesetzt sind, weisen oft eine gewisse Diversität auf, die vermutlich auf den Druck des Immunsystems zurückzuführen ist [55]. Ein gutes Beispiel dafür ist AMA1, das bereits als Antigenkandidat für Impfstoffe im Blutstadium getestet wurde. Rh5 scheint konservierter zu sein, was die Entwicklung von Impfstoffen begünstigt [51].

Pfs25 wird auf der Oberfläche der Zygote und der Ookinetenform von Plasmodium exprimiert und ist somit ein Antigen des Sexualstadiums. Antikörper, die gegen Pfs25 wirken, sind in der Lage, die Entwicklung von P.-falciparum-Oozysten vollständig zu blockieren. Aus diesem Grund ist Pfs25 ein interessanter Kandidat für Impfstoffe, die die Übertragung blockieren [56]. Im Laufe der Jahre sind mehrere Kandidaten und Studien erschienen, die Pfs25 als hochwirksames Antigen beschreiben. Monoklonale Antikörper, die auf Pfs25 abzielen, verhindern nachweislich die Übertragung vom Menschen auf die Stechmücke, indem sie den Übergang vom Ookineten zur Oozyste blockieren [57]. Anders als bei Mäusen konnte die Impfung beim Menschen jedoch keine robusten Antikörpertiter aufbauen. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass menschliche CD4+-T-Zellen Pfs25 (Pfs25-IMX313) schlecht erkennen [58]. Dies ist wichtig für die Entwicklung eines wirksamen mRNA-Impfstoffs gegen Malaria. Wenn man davon ausgeht, dass eine mRNA-Impfung in erster Linie dazu dient, das Individuum zu schützen und nicht die Übertragung zu verhindern, ist diese fehlende Erkennung ein großer Nachteil. Dank der laufenden Forschung sind Impfstoffe auf Pfs25-Basis, die eine robuste Immunreaktion hervorrufen, wahrscheinlich. Um jedoch schnelle und wirksame mRNA-Impfstoffe bereitzustellen, eignen sich andere Proteine wahrscheinlich besser.