Reverse Vakzinologie: Wenn rückwärts innovativ ist

Im Gegensatz zur konventionellen Impfstoffentwicklung wird zunächst die Genomsequenz des Erregers entschlüsselt, dann werden die Proteine ausgewählt, die als Antigene in einer zukünftigen Vakzine höchstwahrscheinlich eine breite Wirksamkeit aufweisen.

Invasive Meningokokken-Erkrankungen zeigen einen schnellen Krankheitsverlauf, auch bei zuvor gesunden Säuglingen, Kleinkindern und Jugendlichen. Die ersten Symptome können häufig einer Grippe ähneln, was die Diagnose erschwert. Ungefähr jeder zehnte Kranke stirbt, trotz intensivmedizinischer Behandlung. So wurden im Zeitraum 2012–2015 in Deutschland von 1 267 Personen mit einer invasiven Meningokokken-Erkrankung 9,6 % als verstorben gemeldet (1). Allein 2018 gab es 295 gemeldete Krankheitsfälle mit einer Letalität von 12 % (2). Bis zu 20 % der Menschen, die eine Meningokokken-Erkrankung überleben, leiden an schweren körperlichen oder neurologischen Folgeschäden, beispielsweise dem Verlust von Gliedmaßen, Taubheit oder Krampfanfällen.

In der langen Geschichte der Entwicklung von Impfstoffen, die bis auf die Anwendung des Pockenimpfstoffs von Edward Jenner 1796 zurückreicht, ist der Ausgangspunkt immer der Krankheitserreger gewesen (3). Hierbei gab es 2 grundsätzlich unterschiedliche Ansätze:

• Der Erreger wurde durch Subkultivierung, Passagieren und Vermehrung in Zellkulturen so weit attenuiert, dass dieser als abgeschwächter Lebendimpfstoff eingesetzt werden konnte. Beispiele: Masern, Mumps, Röteln, Varizellen, Rotaviren und der orale Poliomyelitis-Impfstoff. Oder es gelingt, die Antigene auf der Oberfläche des Erregers zu identifizieren und zu isolieren, die dann für den Impfstoff eingesetzt werden (inaktivierter Impfstoff, Totimpfstoff). Beispiele: Tetanus, Diphtherie, Pertussis und Influenza.
• Ein weiterer Ansatz bestand darin, den gesamten Erreger anzuzüchten, dann abzutöten und diesen als Impfstoff einzusetzen (Ganzkeimimpfstoff). Beispiel: FSME-Impfung.

Lebendimpfstoffe und Ganzkeimimpfstoffe haben den Nachteil, dass ihre immunogenen Antigene nicht bekannt sind. Bei den Meningokokken der Gruppe B kommt erschwerend hinzu, dass die äußere Polysaccharidkapsel Ähnlichkeiten mit neuronalem menschlichen Gewebe hat und somit die Möglichkeit einer verminderten Immunreaktion oder Autoimmunreaktion bestünde (3).

Ausgangssituation

Meningokokken sind ein weltweites Problem mit schätzungsweise 1,2 Millionen Fällen von invasiven Erkrankungen und 135 000 Todesfällen jährlich (4). Screeninguntersuchungen zeigen bei gesunden Personen in circa 10 % der Fälle eine Besiedlung der Schleimhäute im Nasen-Rachen-Raum mit Meningokokken, bei Jugendlichen sogar bis circa 20 % (1).

Der erste Impfstoff gegen Meningokokken der Serogruppe B wurde 1991 in Kuba entwickelt. Allerdings war dieser nur gegen einen Sequenztyp der B-Meningokokken wirksam und konnte deswegen nicht weltweit angewendet werden (5).

Die beste Wirksamkeit eines Meningokokken-B- Impfstoffs verzeichnete mit 73 % eine für Neuseeland entwickelte Vakzine, allerdings bezogen auf den in Neuseeland vorherrschenden Meningokokken-B-Stamm (4). Einen Impfstoff, der weltweit gegen Meningokokken B wirksam ist, konnte mit diesem herkömmlichen Ansatz nicht verwirklicht werden (3). Es mussten neue Wege beschritten werden.

Problemlösung

Erst der Durchbruch in den Sequenziertechniken und Genomic-, Proteomic- und Metabolomic- (OMICs-)Technologien hat auch die Vakzinologie beflügelt. Es ist nun möglich, die Kenntnis des gesamten Genoms eines Erregers mit bioinformatischen Methoden für die Entdeckung von Impfantigenen zu nutzen. Computeranalysen erlaubten die Vorhersage, ob Proteine oberflächenbasiert und homolog zu bekannter Virulenz – und Pathogenitätseigenschaften – sind, was zur Selektion von 570 potenziellen Vakzinekandidaten führte (3).

Ausgehend von der gesamten Genomsequenz von Neisseria meningitidis B, die für Proteinstrukturen auf der Zelloberfläche kodieren, wurden zunächst 350 Gene erfolgreich in Escherichia coli kloniert und exprimiert (3). Nach Reinigung der exprimierten Proteine (6, 7) wurden damit Mäuse immunisiert (3, 6). Anschließend wurden ihre antikörperenthaltenden Immunseren in verschiedenen Testverfahren (ELISA, FACS, Western Blot) analysiert (Abbildung).

Abbildung

Das Verfahren der reversen Vakzinologie

Im nächsten Schritt konnte die oberflächenbasierte Lokalisation der Antigene bestätigt werden (3). Die Immunogenität und protektive Aktivität der Immunseren wurden mithilfe eines im Komplement vermittelten bakteriziden Testverfahrens überprüft; dieses hat den Vorteil, dass er mit der Situation im Menschen korreliert (3). Dabei zeigten 28 Antigene gute Ergebnisse in allen Tests. So weit die Theorie: Doch nun mussten diese potenziellen Vakzinekandidaten bezüglich ihres Vorkommens in weltweiten Meningokokken-Stämmen überprüft werden.

Hierfür wurde das Vorhandensein dieser Antigene in einem Panel von 31 N.-meningitidis-Stämmen, die über viele Jahre weltweit isoliert wurden, getestet (3). Von diesen wurden die vielversprechendsten konservierten Oberflächenproteine GNA (Genome derived Neisseria antigene) ausgewählt (3):

• Neisseria-meningitidis-Adhesin-A (NadA oder GNA 1994),
• Faktor-H-bindendes Protein (fHbp, GNA 1870),
• Neisseria-Heparin-bindendes Antigen (NHBA, GNA 2091, 2132) und
• GNA 1030.

Da GNA 1030 mit GNA 2091, 2132 und GNA 2091 mit GNA 1994 jeweils zu einem Fusionsprotein verschmolzen worden sind, enthält der Impfstoff 4 unterschiedliche Antigene. Diese Proteine wurden für den neu entwickelten Meningokokken-B-Impfstoff verwendet, und zur Verbesserung der Immunität wurde zusätzlich das Protein PorA des neuseeländischen Meningokokken-B-Stamms 98/254 in den Impfstoff integriert. Hieraus entstand dann der erste breit wirksame 4-Komponenten-Impfstoff gegen Meningokokken B (4CMenB), der durch das neue Verfahren der reversen Vakzinologie entwickelt wurde und unter dem Handelsnamen Bexsero verfügbar ist (8).

Diese Mehrkomponenten-Vakzine (4CMenB) wurde 2013 in Europa, Kanada und Australien sowie 2015 in den USA zugelassen. Seit Dezember 2013 ist der Impfstoff auch in Deutschland verfügbar.

Bisherige Erfahrungen

Kanada: Seit 2003 gab es einen Anstieg der MenB-Inzidenz mit einem lange andauernden Ausbruch in der Region Saguenay-Lac-Saint-Jean in Quebec, der hauptsächlich Kinder und Jugendliche erfasste (9, 10). In einer Impfkampagne, die die Altersgruppen von 2 Monaten bis 20 Jahre berücksichtigte, erhielten von Mai bis Dezember 2014 83 % der circa 59 500 Personen dieser Alterskohorte mindestens eine Impfung (11).

Im Verlauf des Zeitraumes 2015/16 gab es keine Fälle von Meningokokken B in der geimpften Kohorte.

Langzeitdaten über 4 Jahre (bis Juni 2018) zeigten einen signifikanten Inzidenzrückgang in der Zielpopulation im Alter von 2 Monaten bis 20 Jahren von 96 % (9). Von den nur noch 5 nach Ende der Impfkampagne aufgetretenen MenB-Erkrankungen in der Region war lediglich ein 6-jähriges Kind zuvor gegen Meningokokken B geimpft. Eine wichtige Beobachtung war darüber hinaus, dass keine sicherheitsrelevanten Ereignisse während dieser Impfkampagne auftraten (12).

Vereinigte Staaten: Der 4CMenB-Impfstoff wurde seit 2013 bei 6 invasiven Meningokokken-Ausbrüchen an Universitäten eingesetzt (12). Impfkampagnen unter Studierenden wurden 2014 an den Universitäten in Kalifornien (Santa Barbara) und New Jersey (Princeton University) sowie 2016 in Kalifornien (Santa-Clara-Universität) durchgeführt. Danach trat kein weiterer Fall einer invasiven Meningokokken-B-Erkrankung mehr auf (13, 14, 15, 16).

Großbritannien: Als erstes Land der Welt integrierte Großbritannien im September 2015 den 4CMenB-Impfstoff in das Kinderimpfprogramm, und zwar mit einem 2+1-Schema bei Säuglingen in den Monaten 2 und 4, gefolgt von einer Booster-Dosis mit 12 Monaten (17, 18). Das in Großbritannien verwendete 2+1-Impfschema ab dem Alter von 2 Monaten ist seit April 2020 in Deutschland zugelassen (19).

Mit diesem 4CMenB-Impfprogramm konnte von September 2015 bis August 2018 eine signifikante Reduktion der invasiven Meningokokken-B-Erkrankungen um 75 % bei Säuglingen (n = 277) erzielt werden (19). Hierbei ist zu beachten, dass in diesen Kohorten auch nicht und unvollständig geimpfte Kinder enthalten waren. Auch im vierten Jahr des 4CMenB-Impfprogramms (2018/19) gingen die Fallzahlen von invasiven Meningokokken-B-Erkrankungen weiter zurück. Da in den kommenden Jahren immer mehr Geburtskohorten geimpft werden, ist eine weitere Reduktion zu erwarten (20).

Australien: Bei mehr als 34 000 Schülern im Alter von 15–18 Jahren konnte die Impfung zwar nicht die Besiedlung des Nasen-Rachen-Raums mit Meningokokken B unterbinden (21), allerdings reduzierten sich die Erkrankungszahlen. Bis Ende Dezember 2019 traten keine MenB-Fälle mehr auf.

Dies bedeutet, dass nur Geimpfte geschützt sind und kein indirekter Effekt/Schutz durch Populationsimmunität zu erwarten ist. Als Konsequenz sollten Menschen mit erhöhtem Infektionsrisiko – insbesondere Säuglinge und Jugendliche – geimpft werden.

Anwendung in der Praxis

In Deutschland ist der 4CMenB-Impfstoff seit 2013 ab dem vollendeten 2. Lebensmonat zugelassen und wird von vielen Krankenkassen erstattet. Seit 2015 wird von der Ständigen Impfkommission (STIKO) die Impfung gegen Meningokokken B bereits bei Immunsupprimierten und zum Beispiel für Patienten mit Asplenie empfohlen (22).

Um jedoch einen populationsbezogenen Effekt auf die Krankheitslast durch Meningokokken B auch in Deutschland zu sehen, ist eine Impfung für alle Kinder im frühen Säuglingsalter sinnvoll, da die Serogruppe B nach wie vor die häufigste in Deutschland ist und die meisten invasiven Meningokokken-B-Krankheitsfälle im 1. Lebensjahr auftreten (2). Für Jugendliche und junge Erwachsen kann eine Impfung ebenfalls sinnvoll sein, auch als Reiseimpfung, insbesondere für den immer beliebter werdenden Schüleraustausch nach Großbritannien, Kanada und in die USA, wo es an Schulen und Universitäten immer wieder zu Meningokokken-Ausbrüchen gekommen ist. Eine Reiseimpfempfehlung für Meningokokken B wurde 2019 von der STIKO publiziert (23, 24).

Ausblick

Es laufen auch Untersuchungen, ob der 4-Komponenten-Impfstoff 4CMenB, der konservierte Proteine der Meningokokkenmembran enthält, auch gegen andere Meningokokken-Serogruppen, wie zum Beispiel Meningokokken W oder auch Neisseria gonorrhoeae, schützen könnte (25). Neisseria gonorrhoeae besitzt 80–90 % genetische Homologien zu Neisseria meningitidis (25). Ungeachtet der unterschiedlichen Manifestation beider Erkrankungen sind viele Virulenzfaktoren in beiden Erregern vorhanden, sodass dadurch eine Kreuzprotektion wahrscheinlich ist (25). ▄

DOI: 10.3238/PersInfek.2020.09.11.06

Dr. rer. nat. Michael Saeftel,
Senior Medical Advisor, Impfakademie GlaxoSmithKline

Priv.-Doz. Dr. med. Kerstin Ludwig,
Leitung Impfakademie, Medizinischer Fachbereich Impfstoffe,
Reise-und Tropenmedizin, GlaxoSmithKline

Dr. med. Melanie Schneider
Senior Medical Advisor, Medical Affairs GlaxoSmithKline

Dr. med. Markus Kirchner, MPH,
Senior Medical Advisor, Scientific Communication, GlaxoSmithKline

Dr. rer. nat. Rino Rappuoli,
Chief Scientist & Head of External Research and Development, GlaxoSmithKline Vaccines, Siena

Interessenkonflikt: Die Autoren sind Angestellte von GlaxoSchmithKline GmbH & Co. KG.

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit3720

Ein Pionier unter den Impfforschern

Rino Rappuoli gehört zu den Mitbegründern der „zellulären Mikrobiologie“, die Zellbiologie und Mikrobiologie thematisch vereint. Die von ihm begründete „reverse Vakzinologie“, mit der erstmals ein Impfstoff gegen Meningokokken B entwickelt werden konnte, gilt als Paradigmenwechsel. Doch Rappuoli verzeichnet weitere Erfolge: Unter seiner Federführung wurde 2009 ein Impfstoff gegen die pandemische Influenza H1N1 hergestellt. 2013 entwickelte er zusammen mit Craig Venter den ersten RNA-Impfstoff gegen Influenza und den ersten synthetischen Impfstoff gegen das Vogelgrippevirus H7N9.

Seine bahnbrechenden Arbeiten zur Entwicklung neuartiger Impfstoffe wurden 2019 mit dem Robert-Koch-Preis gewürdigt.

Literatur

1. Robert Koch-Institut: Zur Situation bei ausgewählten Infektionskrankheiten in Deutschland: Invasive Meningokokken-Erkrankungen 2012–2015. Epidemiologisches Bulletin 43/2016. https://www.rki.de/DE/Content/Infekt/EpidBull/Archiv/2016/Ausgaben/43_16.html (last accessed on 9 July 2020).

2. Robert Koch-Institut: Infektionsepidemiologisches Jahrbuch meldepflichtiger Krankheiten für 2018. https://www.rki.de/DE/Content/Infekt/Jahrbuch/Jahrbuch_2018.html (last accessed on 9 July 2020).

3. Moriel DG, Scarselli M, Serino L, Mora M, Rappuoli R, Masignani V: Genome-based vaccine development: a short cut for the future. Hum Vaccin 2008; 4 (3): 184–8

4. Tan LKK, Carlone, GM, and Borrow R: Advances in the Development of Vaccines against Neisseria meningitidis. N Engl J Med 2010; 362: 1511–20

5. Caesar NM, Myers KA, Fan X: Neisseria meningitidis serogroup B vaccine development. Microb Pathog 2013; 57: 33–40

6. Pizza M, Scarlato V, Masignani V, et al.: 41. Identification of vaccine candidates against serogroup B meningococcus by whole genome sequencing. Science 2000; 287: 1816–20

7. Rappuoli R: Reverse vaccinology. Curr 42. Opin Microbiol 2000; 3: 445–50

8. Giuliani MM, Adu-Bobie J, Comanducci M, et al.: A universal vaccine for serogroup B meningococcus. Proc Natl Acad Sci U S A 2006; 103: 10834–9

9. Deceuninck G, Lefebvre B, Tsang R, Betala-Belinga JF, De Serres G, De Wals P: Impact of a mass vaccination campaign against Serogroup B meningococcal disease in the Saguenay-Lac-Saint-Jean region of Quebec four years after its launch. Vaccine 2019; 37 (31): 4243–5

10. Law DK, Lorange M, Ringuette L, et al.: Invasive meningococcal disease in Quebec, Canada, due to an emerging clone of ST-269 serogroup B meningococci with serotype antigen 17 and serosubtype antigen P1.19 (B: 17: P1.19). J Clin Microbiol 2006; 44 (8): 2743–9

11. De Wals P, Deceuninck G, Lefebvre B, et al.: Impact of an immunization campaign to control an increased incidence of serogroup b meningococcal disease in one region of Quebec, Canada. Clin Infect Dis 2017; 64: 1263–7

12. De Serres G, Gariepy MC, Billard MN, et al.: Initial dose of a multicomponent serogroup B meningococcal vaccine in the Saguenay-lac-Saint-Jean region, Québec, Canada: an interim safety surveillance report 2014. https://www.inspq.qc.ca/pdf/publications/1902_SerogroupB_Meningococcal_Vaccine.pdf (last accessed on 9 July 2020).

13. Grogan J, Roos K: Serogroup B meningococcus outbreaks, prevalence, and the case for standard vaccination. Curr Infect Dis Rep 2017; 19: 30

14. McNamara LA, Shumate AM, Johnsen P, et al.: First use of a serogroup b meningococcal vaccine in the US in response to a University outbreak. Pediatrics 2015; 135: 798–804

15. Patel M, Briere E, Duffy J, et al.: Use of a novel serogroup B meningococcal vaccine in response to two university outbreaks in the US (Abstract O22). XIXth International Pathogenic Neisseria Conference (IPNC), 12–17. Oktober 2014, Ashville, North Carolina. http://neisseria.org/ipnc/2014/IPNC_2014_abstracts.pdf (last accessed on 9 July 2020).

16. Biswas HH, Han GS, Wendorf K, et al.: Notes from the field: outbreak of serogroup B meningococcal disease at a University – California, 2016. MMWR 2016; 65: 520–1

17. McNamara LA, Shumate AM, Johnsen P, et al.: First Use of a Serogroup B Meningococcal Vaccine in the US in Response to a University Outbreak. Pediatrics 2015; 135 (5): 798–804

18. Ladhani SN, Ramsay M, Borrow R, et al.: Enter B and W: two new meningococcal vaccine programmes launched. Arch Dis Child 2016; 101: 91–5

19. Fachinformatio Bexsero. Stand: April 2019.

20. Ladhani SN, Andrews N, Parikh SR, et al.: Vaccination of Infants with Meningococcal Group B Vaccine (4CMenB) in England. N Engl J Med 2020; 382 (4): 309–17

21. Isitt C, Cosgrove CA, Ramsay ME, Ladhani SN: Success of 4CMenB in preventing meningococcal disease: evidence from real-world experience. Arch Dis Child 2020; archdischild-2019-318047

22. Marshall HS, McMillan M, Koehler AP, et al.: Meningococcal B Vaccine and Meningococcal Carriage in Adolescents in Australia. N Engl J Med 2020; 382: 318–27

23. Robert Koch-Institut: Empfehlungen der Ständigen Impfkommission (STIKO) am Robert Koch-Institut/Stand: August 2015. Epidemiologisches Bulletin Nummer 34/2015. https://www.rki.de/DE/Content/Infekt/EpidBull/Archiv/2015/34/Tabelle.html (last accessed on 16 July 2020).

24. Robert Koch-Institut: Reiseimpfungen. https://www.rki.de/DE/Content/Kommissionen/STIKO/Reiseimpfung/reiseimpfung_inhalt.html (last accessed on 16 July 2020).

25. Petousis-Harris H, Paynter J, Morgan J, et al.: Effectiveness of a group B outer membrane vesicle meningococcal vaccine against gonorrhoea in New Zealand: a retrospective case-control study. Lancet 2017; 390 (10102): 1603–10