Ein Süßer Impfstoff gegen Pneumokokken

Entwicklung und Analyse von Glycokonjugatimpfstoffe

  • Abb. 1: Streptococcus pneumoniae Serotyp 8 im Fluoreszenzmikroskop.Abb. 1: Streptococcus pneumoniae Serotyp 8 im Fluoreszenzmikroskop.
  • Abb. 1: Streptococcus pneumoniae Serotyp 8 im Fluoreszenzmikroskop.
  • Abb. 2: Struktur des Trisaccharids,  das Bestandteil neuer, wirksamer  Impfstoffe gegen ST8 ist.

Bakterielle Infektionen sind eine erstzunehmende Bedrohung für Leben, Gesundheit und wirtschaftliche Entwicklung. Die stetig sinkende Zahl zugelassener antibakterieller Wirkstoffe und das zeitgleich rapide Anwachsen von resistenten Stämmen lassen den Schluss zu, dass sich das Zeitalter der Antibiotika seinem vorzeitigen Ende zuneigt. Dabei ist es um ein Vielfaches einfacher, Infektionen zu verhindern, bevor sie überhaupt stattfinden. Impfstoffe sind eine der letzten Bastionen gegen mit Antibiotika nur schwer zu bekämpfende Keime. Und Impfstoffe sind sicher: Durch heutige Techniken lassen sie sich so gestalten, dass kaum Nebenreaktionen auftreten und Infektionen durch bestimmte Bakterienstämme trotzdem nahezu ausgerottet werden können. Die Keime sind dabei nicht hilflos. Eine dicke Kapsel aus Polysacchariden, langen Zuckerketten, verhindert die Erkennung von Strukturen auf der Bakterienoberfläche durch das Immunsystem. Immunantworten gegen solche Polysaccharide sind dagegen oft ineffizient.

Entwicklung von Glycokonjugatimpfstoffen

Genau dort setzen sogenannte Glycokonjugatimpfstoffe an (gr. glycos – süß). Durch chemische Verknüpfung eines Polysaccharides an ein Trägerprotein – üblicherweise eine unschädlich gemachte Variante eines bakteriellen Toxins – wird die Fähigkeit, Antikörper gegen die Zuckerketten zu erzeugen, um ein Vielfaches gesteigert. Dieses Prinzip wird in diversen routinemäßig verwendeten Impfstoffen ausgenutzt, z.B. in Prevenar 13, dem Blockbuster-Impfstoff von Pfizer mit einem Umsatz von ca. 6 Milliarden US-$ pro Jahr, der vor gefährlichen Pneumokokken schützt.

Durch Glycokonjugatimpfstoffe konnten Millionen von Menschenleben gerettet werden. Die Impfstoffe sind allerdings nicht perfekt. Die Isolierung und Aufreinigung von Polysacchariden aus dem pathogenen Bakterium ist aufwändig, teuer und oft unsauber. Außerdem gibt es Stämme, deren Polysaccharide zu labil zum Aufreinigen sind oder durch die Verknüpfung zum Trägerprotein so verändert werden, dass sie nahezu unwirksam werden. Auf Grund fehlender Wirksamkeit müssen bestimmte Stämme bisweilen sogar aus Impfstoffcocktails entfernt werden.

Eine vielversprechende Alternative zur Aufreinigung von bakteriellen Polysacchariden ist die chemische Synthese.

Kürzere Ausschnitte aus der Zuckerkette, sogenannte Oligosaccharide, lassen sich kostengünstig in großem Maßstab, hoher Effizienz und Reinheit synthetisch herstellen. Der resultierende Glycokonjugatimpfstoff ist strukturell homogen, was wiederum Kosten bei der analytischen Charakterisierung spart. Allerdings ist oftmals nicht klar, wie das synthetische Oligosaccharid am besten aufgebaut sein sollte, um eine schützende („protektive“)
Immunantwort auszulösen. Länge der Zuckerkette und Reihenfolge der verschiedenen Zuckerbausteine sind kritische Eigenschaften, die oft nur experimentell optimiert werden können. Dabei werden in einem iterativen Verfahren mehrere Oligosaccharide chemisch hergestellt, im Tierversuch verglichen und der beste Kandidat weiterentwickelt. Das ist langwierig und dadurch teuer, da die konventionelle chemische Synthese jedes einzelnen Moleküls getrennt optimiert werden muss und oft mehrere Monate in Anspruch nimmt.

Optimaler Aufbau synthetischer Oligosaccharide

Die Autoren haben zusammen mit Wissenschaftlern der Charité-Universitätsmedizin Berlin und dem Albert Einstein College of Medicine in New York ein Verfahren entwickelt, durch das sich viel schneller als bisher herausfinden lässt, wie ein synthetisches Oligosaccharid in einem Impfstoff am besten aufgebaut sein sollte [1]. Ausgangpunkt war dabei die chemische Synthese vier verschiedener Oligosaccharide des Pneumokokkenstammes ST8, der immer wieder für schwerwiegende Krankheitsausbrüche verantwortlich ist, oft in Verbindung mit Resistenzen gegen gängige Antibiotika. Die Synthese  wurde mittels automatisierter Glycansynthese (Automated Glycan Assembly, AGA) bewerkstelligt [2], mittels derer geringe Mengen von Oligosacchariden in einem Bruchteil der Zeit hergestellt werden können, die die herkömmliche Synthese in Anspruch nimmt. Die Moleküle wurden dann auf Kohlenhydrat-Microarray-Chips immobilisiert, um das Erkennungsmuster von Antikörper- und Serumproben zu untersuchen. Da geringste Substanzmengen zur Immobilisierung ausreichen, ist die Kombination aus AGA und Microarrays perfekt zur Evaluierung einer Vielfalt unterschiedlicher Oligosaccharide geeignet.

Es stellte sich heraus, dass kommerziell erhältliche Serumproben Antikörper gegen alle möglichen Oligosaccharide enthalten, was wenig Aufschluss auf die Struktur des „richtigen“ Impfstoffes gibt. Ein Durchbruch war hingegen das Bindungsverhalten eines Antikörpers, von dem bekannt  war, dass er Mäuse vor Infektion mit Pneumokokken schützt. Der Antikörper zeigte eine starke Präferenz von Oligosaccharid „C“ auf, was darauf schließen ließ, dass sich aus diesem Molekül ein geeigneter Impfstoff erstellen lassen sollte.

Eine optimierte chemische Synthese von Oligosaccharid C sowie strukturell verwandter Moleküle wurde daraufhin entwickelt. Durch Immunisierungsversuche im Mausmodell und Isolierung von Antikörpern ließ sich feststellen, dass ein bestimmtes Trisaccharid (Dreifachzucker) notwendig ist, um eine protektive Immunantwort auszulösen (Abb. 2). Auf der Basis dieser Ergebnisse konnten drei Impfstoffe entwickelt werden, die in Kaninchen gegen Pneumokokken gerichtete Antikörper induzierten. Die antibakterielle Wirkung war dabei genauso effizient wie die eines von der Weltgesundheitsorganisation verbreiteten Serums, das als Standard für die Wirksamkeitsmessung neuer Impfstoffe dient. Damit wurde eine wichtige Hürde auf dem Weg zur Entwicklung eines auf synthetischen Oligosaccharids beruhenden ST8-Impfstoffes im Menschen genommen.

Kombination unterschiedlicher Impfstoffe

Da ST8 nicht in Prevenar 13 enthalten ist, boten sich die neuen ST8-Impfstoffe für ein wichtiges Experiment an: es war bislang noch nie hinreichend untersucht worden, ob ein auf vergleichsweise kurzen, synthetischen Oligosacchariden basierender Impfstoff mit einem Polysaccharid-Impfstoff wie Prevenar 13 kompatibel ist. Dabei war nicht klar, ob sehr lange Polysaccharide die Immunantwort gegen kurze Oligosaccharide „überdecken“, was unter anderem in der Entwicklung der nächsten Impfstoff-Generation von großer Wichtigkeit sein könnte. Interessanterweise zeigt die präsentierte Arbeit, dass sich die neuartigen ST8-Impfstoffe im Tierversuch erfolgreich mit Prevenar 13 kombinieren lassen, ohne dass sich die Immunantwort gegen die einzelnen Komponenten stark verändert. Damit wurde der Weg geebnet, bestehende Impfstoffe mit geringem Aufwand um neue Stämme zu erweitern oder gezielt einzelne Polysaccharide zu ersetzen, die auf herkömmliche Weise einen unzureichenden Impfschutz hervorrufen.

Autoren
Benjamin Schumann1 und Peter H. Seeberger2

Zugehörigkeiten
1Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, USA
2Max-Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam, Deutschland

Kontakt 
Prof. Dr. Peter H. Seeberger
Max-Planck-Institut für Kolloid- und
Grenzflächenforschung Potsdam
Potsdam, Deutschland

Referenzen

[1] Schumann, B., Hahm, H. S., Parameswarappa, S. G., Reppe, K., Wahlbrink, A., Govindan, S., Kaplonek, P., Pirofski, L.-a., Witzenrath, M., Anish, C., Pereira, C. L. and Seeberger, P. H.: A semisynthetic Streptococcus pneumoniae glycoconjugate vaccine, Sci. Transl. Med. 9 (2017) doi: 10.1126/scitranslmed.aaf5347
[2] Plante, O.J., Palmacci, E.R., Seeberger, P.H.: Automated Solid-Phase Synthesis of Oligosaccharides, Science, 291, 1523-1527 (2001)

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