Covid-19-mRNA-Impfstoffe gewinnen Nobelpreis für Medizin 2023 | Quanta-Magazin

Das Nobelkomitee hat den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2023 verliehen Katalin Kariko und Drew Weißmann für ihre Pionierarbeit bei der Entwicklung der mRNA-Impfstofftechnologie, die eine rechtzeitige Impfreaktion auf die Covid-19-Pandemie ermöglichte. Impfstoffen gegen das SARS-CoV-2-Virus wird zugeschrieben, dass sie dazu beitragen, die Ausbreitung der Pandemie einzudämmen und zwischendurch zu retten 14.4 Millionen und 19.8 Millionen Leben bereits im ersten Jahr ihrer Nutzung; mRNA-Impfstoffe spielten dabei eine wichtige Rolle.

Jahrzehntelang verfolgten Wissenschaftler aus aller Welt den Einsatz von mRNA (Messenger-RNA) in der Medizin. Zellen verwenden auf natürliche Weise mRNA, die auf genetischer DNA basiert, als Anweisungen für die Herstellung von Proteinen. Ziel der Forscher war es, Werkzeuge zu entwickeln, um im Labor neuartige mRNA-Sequenzen zu erstellen – solche, die beispielsweise für virale Proteine ​​kodieren – und diese mRNA-Moleküle dann in Zellen einzuführen. Die Zellen würden diese mRNA-Sequenzen dann in virale Proteine ​​übersetzen und so das Immunsystem alarmieren, damit es eine Abwehr gegen das Virus aufbauen kann. Tatsächlich verwandelt der mRNA-Impfstoff Zellen in Fabriken für virale Proteine ​​als Strategie zur Abwehr viraler Angreifer.

Die ersten Versuche, mit mRNA eine Immunantwort auszulösen, scheiterten jedoch daran, dass Zellen die eingeführten mRNA-Moleküle zu schnell als Eindringlinge erkannten und zerstörten.

Im Jahr 2005 arbeiteten Karikó und Weissman an der University of Pennsylvania zusammen entdeckt eine Möglichkeit, die Nukleotidsequenz der mRNA-Moleküle leicht zu verändern, damit sie sich an der zellulären Immunüberwachung vorbeischleichen und eine massive Entzündungsreaktion vermeiden können. Sie kamen dann vorbei 2008 und 2010 dass modifizierte mRNA-Moleküle große Mengen an Proteinen produzieren könnten. Diese Durchbrüche machten die mRNA-Technologie für die Entwicklung sicherer und wirksamer Impfstoffe nutzbar.

Innerhalb von 15 Jahren haben sich die Methoden weltweit bewährt. Bis Anfang 2021, kaum ein Jahr nach dem ersten weltweiten Ausbruch der Covid-19-Pandemie, hatten mehrere Pharmaunternehmen die mRNA-Tools von Karikó und Weissman genutzt, um Impfstoffe gegen das Virus auf den Markt zu bringen. Die Pandemie diente als Machbarkeitsnachweis für die Impfstoffe, und ihr Erfolg trug dazu bei, die Welt aus der tödlichsten Phase der Pandemie zu befreien.

Die Entdeckungen von Karikó und Weissman „veränderten unser Verständnis darüber, wie mRNA mit unserem Immunsystem interagiert, grundlegend und hatten während der jüngsten Covid-19-Pandemie große Auswirkungen auf unsere Gesellschaft“, sagte Rickard Sandberg, Mitglied des Nobelkomitees, während der Ankündigung heute Morgen. Impfstoffe, sowohl der konventionellen als auch der mRNA-Variante, „haben Millionen von Leben gerettet, schwere Covid-19-Erkrankungen verhindert, die allgemeine Krankheitslast verringert und die Öffnung der Gesellschaften ermöglicht.“

Was ist mRNA?

Messenger-RNA ist ein einzelner Strang genetischen Codes, den die Zelle als Anweisungen zur Herstellung von Proteinen verwendet. Diese mRNA-Moleküle kommen in Zellen vor und sind wichtige Bestandteile alltäglicher Zellfunktionen: Sie sind die Boten, die transkribierte DNA-Sequenzen aus dem geschützten Zellkern in das Zytoplasma der Zelle befördern, wo sie von den Organellen, den sogenannten Ribosomen, in Proteine ​​übersetzt werden können. Ein Ribosom liest den Strang und übersetzt Gruppierungen genetischer Buchstaben in Aminosäuresequenzen. Die daraus resultierende lange Kette von Aminosäuren faltet sich dann zum entsprechenden Protein.

Wie funktionieren mRNA-Covid-19-Impfstoffe?

Wissenschaftler haben gelernt, mRNA-Code zu schreiben, um neuartige Proteine ​​zu bilden – darunter Proteine, die Zellen dabei helfen können, Viren zu erkennen, die sie noch nie gesehen haben. Die von den Nobelpreisträgern entwickelte mRNA-Technologie nutzt die Proteinherstellungsmaschinerie der Zellen und regt die Zellen dazu an, virale Proteine ​​zu produzieren, die das Immunsystem darauf vorbereiten, ein bestimmtes Virus zu erkennen, wenn es ihm später begegnet.

Wenn die mRNA-Elemente in Zellen in Lipid-Nanopartikelkapseln eingeschmuggelt werden, liefern sie das Rezept für die Herstellung des SARS-CoV-2-Spike-Proteins, das sich auf der Außenoberfläche des Virus befindet. Mithilfe dieser Anweisungen produzieren die Zellen dann das Spike-Protein, als wären sie mit dem echten Virus infiziert. Es ist wie eine Immunitätsübungsrunde: Die mRNA bereitet das Immunsystem darauf vor, ein tatsächliches SARS-CoV-2-Spike-Protein zu erkennen, sodass sich das Immunsystem schnell „merkt“, wie es auslöst, wenn eine Person später dem Virus ausgesetzt wird Reaktion, um dagegen anzukämpfen.

Was war der Durchbruch, der zum Erfolg der Impfstoffe führte?

Zu Beginn der 2000er Jahre bestand ein großes Hindernis für die mRNA-Technologie darin, dass sie eine starke Entzündungsreaktion in Zellen auslöste. Zellen erkannten die eingeführte mRNA als Fremdmaterial und versuchten, sie loszuwerden, was die zellulären Abwehrsysteme auf Hochtouren brachte. Nachdem Karikó und Weissman erkannt hatten, dass Zellen oft ihre eigene native mRNA modifizieren, beschlossen sie zu sehen, was passieren würde, wenn sie auch den genetischen Code der von ihnen eingeführten mRNA leicht verändern würden.

In einer 2005 veröffentlichten bahnbrechenden Entdeckung berichteten sie, dass die Entzündungsreaktion nahezu verschwunden sei. In den folgenden Jahren zeigten sie, dass durch solche Optimierungen auch die Anzahl der Proteine, die die Zellen auf Basis der mRNA-Sequenz herstellen konnten, deutlich erhöht werden konnte.

Wurden mRNA-Impfstoffe vor der Pandemie zur Bekämpfung von Krankheiten eingesetzt?

Eine Reihe von Unternehmen und Forschern testeten vor der Pandemie die Wirksamkeit von mRNA-Impfstoffen zur Bekämpfung von Viren wie Zika und MERS-CoV, das SARS-CoV-2 ähnelt. Bis zum Ausbruch der Covid-2020-Pandemie im Jahr 19 war jedoch keiner der Impfstoffe für den öffentlichen Gebrauch zugelassen. Der erfolgreiche Einsatz von mRNA-Impfstoffen während der Pandemie bestätigte das Konzept der Technologie und wurde zum Ausgangspunkt für die Förderung ihres Einsatzes zur Vorbeugung oder Behandlung anderer Krankheiten.

Welche Vorteile haben mRNA-Impfstoffe gegenüber traditionelleren Impfstoffen?

Das Versprechen von mRNA-Impfstoffen besteht darin, dass sie einfach und schnell entwickelt werden können. Normalerweise dauert es länger – in der Größenordnung von Jahren –, bis Wissenschaftler herkömmliche Impfstoffe entwickeln und testen, bei denen es sich häufig um eine abgeschwächte oder denaturierte Version eines echten Virus handelt. Und selbst nachdem ein traditioneller Impfstoff entwickelt wurde, müssen Wissenschaftler eine zweite Hürde nehmen – sie müssen lernen, wie man große Mengen an Viren oder Proteinen im Labor züchtet – bevor sie den Impfstoff in der Massenproduktion herstellen können, die zur Immunisierung von Millionen oder Milliarden Menschen erforderlich ist.

Sobald Forscher im Jahr 2020 die Struktur und den genetischen Code des SARS-CoV-2-Spike-Proteins veröffentlichten, machten sich die Forscher an die Arbeit. Innerhalb weniger Monate hatten die Pharmariesen Pfizer und Moderna mithilfe der mRNA-Technologie Impfstoffe entwickelt, die gegen das Virus immunisierten. Sie waren in der Lage, mRNA-Impfstoffe schnell in Massenproduktion herzustellen, klinische Studien durchzuführen, um zu beweisen, dass die Impfstoffe sicher und wirksam waren, und dann bis zum Frühjahr 2021 die ersten Impfungen der Öffentlichkeit zu verabreichen. Dies war möglich, weil mit mRNA-Tools eine breite Verbreitung erzielt werden kann Vielfalt an Proteinen ohne die Notwendigkeit, neue Methoden zur Massenzüchtung von Viren zu kultivieren.

Wie werden mRNA-Impfstoffe jetzt eingesetzt?

Wie Sandberg in seinen Bemerkungen bei der Bekanntgabe des Nobelpreises feststellte: „Die erfolgreichen mRNA-Impfstoffe gegen Covid-19 hatten einen enormen Einfluss auf das Interesse an mRNA-basierten Technologien.“ mRNA-Technologien werden heute zur Entwicklung therapeutischer Proteinabgabesysteme und Krebsbehandlungen sowie Impfstoffe gegen andere Infektionskrankheiten eingesetzt.