Neuartige Impfstoffe gegen wichtige enterische Krankheitserreger

In den Entwicklungsländern sterben Jahr für Jahr fast 1,5 Millionen Kinder aufgrund von Durchfallerkrankungen, während die Überlebenden oft eine sekundäre chronische Unterernährung entwickeln. Eine Impfung gegen die wichtigsten Enteropathogene dürfte der kostengünstigste Ansatz sein, um gegen diese düsteren Statistiken vorzugehen.

Grundlagenforschung

Gesundheit

Shigella und enterotoxische Stämme des Escherichia coli (ETEC) sind – neben dem Rotavirus – die maßgeblichen Krankheitserreger bei Kindern unter fünf Jahren. Beide Erreger der Familie der Enterobakterien verursachen aufgrund des Eindringens in die Darmschleimhaut Dysenterie, einen schweren entzündlichen, blutigen Durchfall, sowie ein choleraähnliches Krankheitsbild, da potente Enterotoxine gebildet werden, die zur akuten Dehydrierung führen. Bislang gibt es keine wirksamen Impfstoffe, welche die Kinder in den endemischen Regionen mit geringem Einkommen, insbesondere in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara und in Südasien schützen könnten. Um diese vorrangige Aufgabe der öffentlichen Gesundheit zu lösen, schlug das von der EU finanzierte Konsortium STOPENTERICS (Vaccination against Shigella and ETEC: novel antigens, novel approaches) einen Paradigmenwechsel zur Konzipierung, Entwicklung und Erprobung neuartiger Impfstoffe gegen Shigella und ETEC vor. „Wir verfolgten ein doppeltes Ziel, und zwar das Dogma der Serotypspezifität aufzubrechen sowie Kreuzschutzimmunität gegen diese beiden Krankheitserreger zu veranlassen, und die schützende Immunogenität von Lipopolysaccharid-abgeleiteten Shigella-Konjugatimpfstoffe zu verbessern“, erläutert Projektkoordinator Philippe Sansonetti. „In Hinsicht auf die letztgenannte Zielstellung wollten wir sorgfältig gestaltete synthetische funktionelle Mimetika der serotypspezifischen somatischen O-Polysaccharide (O-Antigene) und deren kontrollierte Konjugation an den Toxoid-Proteinträger realisieren.“ Impfstoffdesign und schützende Immunität Das Konzept bestand darin, in einer einzigen Rezeptur verschiedene Kreuzschutzprotein-Antigene und die häufigsten serotypdefinierenden synthetischen Oligosaccharide zu kombinieren. Auf dem Weg zu dieser Zielmarke entwickelten die Partner zwei Plattformen: eine, die sich speziell der Identifizierung und Produktion neuartiger Proteine und chemisch definierter Polysaccharid-Antigene widmet, und eine zur Bewertung der Immunogenität von Antigenkandidaten, und zwar sowohl präklinisch als auch klinisch. Auf der erstgenannten Plattform setzten sie topmoderne Technologien wie die Genomik, Transkriptomik und (Immuno-)Proteomik ein, um Oberflächen- und Virulenzproteine zu entdecken, die in Shigella- oder ETEC-Isolaten konserviert waren. Die Entdeckung kreuzreaktiver Proteinantigene in Shigella und ETEC stellte eine bedeutende Herausforderung für das Konsortium dar. Zur Überwindung der genomischen Heterogenität von ETEC führten die Wissenschaftler eine umfassende bioinformatische Metaanalyse durch, um gemeinsame Gene zu identifizieren, die immunogene Oberflächenproteine codieren. In Shigella und ETEC wurde ein begrenztes Set an vielversprechenden Proteinen ermittelt, die derzeit in präklinischen Modellen bewertet werden. Die Forscher konzentrierten sich zudem auf die Verbesserung der immunogenen Leistungsfähigkeit von Antigenen, an denen Interesse besteht. Im Einzelnen arbeiteten sie an der Verbesserung des Lipopolysaccharid-basierten Konjugatimpfstoffkonzepts für O-Antigene mit den am weitesten verbreiteten endemischen Shigella-Serotypen (S. flexneri 1b, 2a, 3a, 6 und S. sonnei), wodurch im Endeffekt ein injizierbarer Konjugatimpfstoff geschaffen wurde, der einen Deckungsgrad von ungefähr 80 % gewährt. „Wir haben eine interdisziplinäre Strategie realisiert, die auf topmoderne Glykochemie, Immunchemie, Biophysik und Strukturanalyse aufbaut, um synthetische Oligosaccharide zu ermitteln, welche das natürliche Antigen nachahmen und eine hohe Affinität zu einer Reihe von typenspezifischen monoklonalen Antikörpern demonstriert haben“, wie Professor Sansonetti erklärt. Eine kontrollierte Konjugation an das Tetanustoxoid ausgewählter Haptene und die In-vivo-Auswertung der resultierenden Glykokonjugate (S. flexneri 2a und 3a) gestatteten eine zusätzliche Optimierung hinsichtlich Kettenlänge, Terminalrest und Expositionsdichte. Obgleich weniger fortgeschritten, ist der gleiche vielversprechende interdisziplinäre Ansatz für SF1b, SF6 und S. sonnei in Arbeit. In Hinsicht auf Shigella-Impfstoffe entwickelten die Forscher einen weiteren innovativen Ansatz mit der Bezeichnung „Generalized Modules for Membrane Antigens“ (GMMA; generalisierte Module für Membranantigene). GMMA sind äußere Membranpartikel, welche die Folge der genetischen Modifizierung von gramnegativen Bakterien sind, und die natürliche Freisetzung von Bläschen von ihrer Oberfläche verstärken. GMMA stellen Oberflächenantigene in ihrem natürlichen Umfeld dar und wurden auf diese Weise als Ausgangsorte für die Entdeckung und Bewertung neuartiger kreuzprotektiver Shigella-Antigene sowie von Vehikeln für das O-Antigen eingesetzt. Da GMMA von der äußeren Membran abgeleitet sind, enthalten sie auf natürliche Weise Stimulatoren für die angeborene Immunantwort und sind hoch immunogen. Um GMMA in Impfstoffen ausnutzen zu können, entgifteten die Forscher das umschlossene Endotoxin auf genetische Weise, um die Immunreaktivität zu reduzieren. Zudem entwickelten sie ein hohe Ausbeuten erzielendes und kostengünstiges Produktionssystem, das GMMA zu attraktiven Impfstoffkandidaten macht. Schwerpunkt in Hinsicht auf ETEC war die Abschwächung der Endotoxizität, die Stimulierung der Immunogenität und die Vermeidung der Immunreaktivität des ST-Toxins. Letztere bildet ein kleines, mangelhaft immunogenes Peptid mit Guanylat-Cyclase-Funktion, dessen Expression signifikant mit schweren Formen von ETEC-Diarrhöen assoziiert ist. Erhebliche Anstrengungen widmete man gleichermaßen dem optimalen Weg der Immunisierung mit dem Schwerpunkt parenteral verabreichter Rezepturen. Die Forscher optimierten den assoziierten Wirkungsverstärker, um spezifische Serum- und Schleimhaut-Antikörper in höchstem Maße zu aktivieren. Sie überwachten gleichermaßen Immunantworten und insbesondere das B-Zellen-Gedächtnis, das zentrale Bedeutung für das Hervorrufen von verstärkten Reaktionen bei Reinfektion hat. Klinische Tests laufen Nach präklinischer Validierung in Tiermodellen für Immunogenität wurde eine Gute Herstellungspraxis (GHP) angewandt, um Lose aus zwei Shigella-Impfstoffprototypen zu produzieren, welche die Toxizitätstests mit Erfolg bestanden, womit der Weg zu zwei Phase-1-Studien frei war. Diese Versuche verfolgten das Ziel, das erste synthetische kohlenhydratbasierte S. flexneri 2a-Konjugat (SF2a-TT15) und einen GMMA-basierten S. sonnei-Kandidaten (1790GAHB) zu validieren. Die GMMA-Studie wurde abgeschlossen und konnte zeigen, dass GMMA gut vertragen wurden und Antikörpertiter in der gleichen Größenordnung anregten, wie sie nach natürlicher Exposition gegenüber dem Krankheitserreger beobachtet wurden. SF2a-TT15 ist derzeit Gegenstand von Versuchen. Die Partner planen für das erste Quartal 2017 die vollständige Verfügbarkeit der Testergebnisse. In beiden Fällen gelang die Einführung neuartiger Immunmonitoring-Assays. Insgesamt war das interdisziplinäre Fachwissen der STOPENTERICS-Studie von zentraler Bedeutung für Design, Entwicklung und klinische Erprobung dieser neuartigen Impfstoffe gegen schwere enterische Pathogene.

Schlüsselbegriffe

Impfstoff, Vakzin, Durchfallerkrankungen, Shigella, enterotoxische Escherichia coli, STOPENTERICS, O-Antigen

Vaccination against Shigella and ETEC: novel antigens, novel approaches

Neuartige Impfstoffe gegen wichtige enterische Krankheitserreger

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