Immunität durch Impfung – Vorteile für Individuum und Population

Der Vorteil von Immunität kann unter dem Aspekt des Individuums und der Bevölkerung gesehen werden. Eine erfolgreiche Impfung wie bei Masern und Tetanus bietet dem Individuum Schutz vor Krankheit, erhält seine Lebensqualität und verhindert einen tödlichen Ausgang.

Seit Kain und Abel hat der Mensch versucht, zu seinem Vorteil andere Menschen zu schädigen – bis hin zum Kannibalismus. Auch Infektionserreger können als Waffe verwendet werden, wie beispielsweise die Belagerung von Caffa am Schwarzen Meer und die Verbreitung der Pest, benannt als Schwarzer Tod, ab 1346 zeigte [1, 2]. Kaufleute aus Genua und Venedig hatten sich in der Region zerstritten und benachbarte asiatische Völker zu Hilfe geholt. Schließlich wurde Caffa belagert. Außerhalb der Stadt brach die Pest aus. An Pest Verstorbene wurden in die Stadt katapultiert, um dort die Pest auszubreiten – mit dem Ergebnis, dass die zweite europäische Pest-Welle bis etwa 1500 fortdauerte und ca. ein Drittel der Bevölkerung hinwegraffte. Heute stehen Impfstoffe mit rekombinant einkloniertem F1-Protein in Y. pseudotuberculosis zur Verfügung [3]. Seit 2019 wird für Kasachstan, wo die Pest weiterhin endemisch ist, eine Impfung gegen Yersinia pestis empfohlen [4].

Die Sicherheit von Militärangehörigen war ein treibender Faktor für die Entwicklung neuer Impfstoffe [5]: Die ersten Impfstoffe gegen Ebola- und Marburgvirus wurden konfektioniert, um Angehörige des Militärs gegen die beiden haemorrhagischen Fieber zu schützen [5]. Eine Gemeinschaft kann sich durch Impfung gegen Bioterrorismus schützen, z. B. vor der Übertragung von Anthrax über Sporen oder dem Pockenvirus.

Impfstoffe und Adjuvanzien

Der Erfolg einer Impfung ist abhängig vom Impfling (Geschlecht, Alter, Immunstatus, Medikation) und von der Präsentation der Antigene für Immunzellen. Antigene, die auf kleinen Oberflächen präsentiert werden, sind am besten immunogen [6]. Die Konfektion von Impfstoffen hat eine lange Entwicklung hinter sich: anfangs z. B. über ein natürlich attenuiertes Virus wie dem Kuhpockenvirus gegen Variola; später über Formalin-inaktiviertes Virus. Letzteres Verfahren führte bei einigen hüllenlosen Viren wie Polio zu guter Antikörperbildung; aber das Verimpfen eines Formalin-inaktivierten RSV-Impfstoffs (Paramyxovirus) um 1960 verlief bei zwei von 31 Kindern tödlich [7, 8]. Die Attenuierung des Gelbfiebervirus über Zellkulturpassagen war für ca. 100 Jahre erfolgreich. Allerdings verstarben 2018 in Brasilien während des Gelbfieberausbruchs vier Personen nach Impfung, da entweder in einer Charge rückmutiertes Virus vorhanden war oder die Immunsuppression der vier Geimpften zu ausgeprägt war [9].

Impfstoff-Antigene sollten in einer Form vorhanden sein, die von Antigen-präsentierenden Zellen (APC) schnell und einfach aufgenommen und auf deren Oberfläche präsentiert wird. Zur besseren Präsentation werden Adjuvanzien verwendet. Diese führen zur Absorption des Antigens auf kleinen Oberflächen wie Aluminiumhydroxidkristallen [10], Nano­partikeln [11, 12], Virosomen [13–15] oder zur Anheftung antigener Strukturen auf Träger-Protein [16] oder Träger-Peptid [17]. Zelluläre Bakterienkomponenten sind immunogener als azelluläre, wie am Beispiel von Bordetella pertussis gezeigt wurde [18].

Exosomen sind kleine Partikel, die von Zellen abgeschilfert werden, aus Protein und Lipiden bestehen und Zytokine enthalten [19]. Diese können zur individuellen Impfstoffherstellung verwendet werden, wenn z. B. RNA, DNA oder Antigene in sie eingeschleust werden. Liposomen mit eingebrachter selbst-replizierender RNA von SARS-CoV-2-Spikeprotein oder Liposomen, die Adenovirus mit einklonierter SARS-CoV-2-DNA enthalten, werden als Impfstoff gegen COVID-19 verwendet [20].

Erfolgreiche und unzureichende Impfung gegen Erreger/Pathogene

Die erste Voraussetzung einer erfolgreichen Abwehr ist, dass der Erreger oder seine Komponenten vom Immunsystem erkannt werden. Viele virale Erreger können durch erworbene Immunität eliminiert werden (Tab. 1).

Wenn Viren, Bakterien, Pilze, Protozoen intrazellulär ohne Vermehrung vorhanden sind, eingekapselt werden oder sich in bradytrophem Gewebe befinden, kann das Immunsystem den Erreger nicht erkennen und eliminieren. Eine weitere Strategie, die Immunabwehr zu unterlaufen (immune escape), beispielsweise von Protozoen, ist es, mit der Zellpassage die Zusammensetzung ihrer Oberflächenantigene zu ändern. Das Influenzavirus kann über Rekombination ganze Genomabschnitte austauschen (reassortment) und damit eine vorhandene Herdenimmunität unterlaufen. Alle Viren und viele Bakterien wirken zusätzlich immunsuppressiv. Gegen Pilze wird eine Teilimmunität aufgebaut; sie verbleiben trotzdem für Jahre in Geweben, die für Immunzellen nicht erreichbar sind, und reaktivieren bei Immunschwäche, z. B. nach Transplantation. Auch gegen viele Protozoen wird keine gut schützende Immunität aufgebaut, deswegen sind Impfversuche gegen Amoeben, Leishmanien und Trypanosomen bislang gescheitert [24]. Gegen Plasmodium falciparum sind erste Impferfolge erzielt worden. Nach natürlicher, mehrfacher Infektion entsteht gegen Pl. vivax, Pl. ovale und Pl. malariae eine Teilimmmunität, die für Jahre das Auftreten klinischer Symptome der Malaria verhindert.

Bakterien benötigen für ihr Wachstum keine Zellen wie Viren und können z. B. Monate auf der Schleimhaut ohne pathogene Wirkung verbleiben, um bei Gelegenheit invasiv zu wachsen und Krankheit oder Sepsis auszulösen. Die meisten Bakterien werden, wenn sie invasiv wachsen, von der Immunabwehr angegriffen und abgetötet, sehr schnell z. B. über das Komplementsys­tem. Die Zellwand von Mykobakterien kann nicht effektiv zerstört werden, weshalb die Infektionen mit M. tuberculosis und M. leprae meist chronisch und konsumptiv verlaufen. Andere Bakterien mit intrazellulärem Wachstum wie Listeria, Borrelia, Francisella und Rickettsia entziehen sich intrazellulär der Immunabwehr (Tab. 2).

Impfung gegen Karzinom; Viren als Vehikel zur Gentherapie

Eine stabile Immunität gegen das Herpes-simplex-Virus (HSV) verhindert, dass bei Reaktivierung von HSV Ulcera an Lippen oder Schleimhaut auftreten [21]. Solche zelllytischen Viren können auch verwendet werden, um Tumorzellen zu zerstören, wenn sie entsprechend geprägt wurden [22]. Um die vorhandene HSV-Immunität bei Betroffenen zu umgehen, werden die zur Therapie verwendeten HSV gentechnisch modifiziert, sodass protektive Oberflächenantigene nicht mehr exprimiert werden. Um sich an Tumorzellen anlagern zu können, werden Rezeptoren zur Erkennung von Tumorzell-Antigenen in HSV einkloniert. Nachdem auch Tumorzellen mutieren und ihr Antigenrepertoire auf der Zelloberfläche ändern, muss HSV für die Tumorzelllyse ständig adaptiert werden. Aus den Erfahrungen mit Viren als Impfstoffträgern resultierte die Verwendung von modifiziertem Adenovirus-assoziiertem Virus (AAV) zur Gentherapie der Haemophilie A und B. Jedoch kann eine Infusion des AAV, das in die Leberzelle inkorporiert wird, wegen der sich aufbauenden Immunität nur einmal gegeben werden [23].