16.12.2020

Wie Nanotechnologie Covid-19-Impfstoffe auf mRNA-Basis wirken lässt

Die ersten Covid-19-Impfstoffe basieren auf der Boten-RNA-Technologie. Während diese nun bereits verabreicht werden, erinnern wir uns an die Vehikel, die sie im Körper dorthin bringen, wo sie hingehören – Lipid-Nanopartikel.

Lipid-Nanopartikel sind die fettigen molekularen Hüllen, die den Strängen der mRNA - dem genetischen Botenstoff für die Umwandlung von DNA-Code in Proteine - helfen, die biologischen Wächter des Körpers zu umgehen und ihre Zielzelle zu erreichen, ohne abgebaut zu werden. Sie ermöglichen einige der fortschrittlichsten Technologien, die bei Impfstoffen und Medikamenten zum Einsatz kommen.

Diese Träger werden verwendet, um die aktiven Chemikalien in Medikamenten wie der Chemotherapie Doxil oder den Cholesterinsenkern Repatha und Praluent so zu verpacken, dass sie ihre Ziele mit weniger unerwünschten Nebenwirkungen erreichen. Und Nanopartikel werden untersucht, um die Genom-Editierung CRISPR-Cas9 zu den Zielorganen zu transportieren, in der Hoffnung, eine weitere Herausforderung bei der Verabreichung zu lösen.

Im Jahr 2018 hat das Biotech-Unternehmen Alnylam die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete RNA-Interferenz-Forschung in das erste siRNA-Medikament - Onpattro, für Patienten mit einer vererbten neurologischen Störung - umgesetzt, indem es die kleine interferierende RNA in Lipid-Nanopartikel verpackt hat. Jetzt ebnen ähnliche Formulierungen den Weg für Boten-RNA-Impfstoffe.

"Meiner Meinung nach ist einer der Helden in dieser Geschichte der RNA-Nanopartikel", sagt Daniel Anderson, Professor für Chemieingenieurwesen am Massachusetts Institute of Technology, denn "siRNA führte zu mRNA-Impfstoffen."

Die Zulassung des ersten RNAi-basierten Medikaments durch die FDA sei "der Beweis dafür, dass diese Nanopartikel nicht nur Werkzeuge sind, die wir im Labor benutzen, um Gene zu manipulieren", so Anderson in einem neuen STAT Report über Nanomedizin, "sondern der Beweis, dass sie in zugelassene Medikamente umgesetzt werden können."

Die Nanomedizin ist entscheidend für die Bereitstellung von mRNA-Impfstoffen, aber auch für die Neuformulierung bestehender und die Formulierung neuer Medikamente zur Behandlung von Covid-19-Patienten, erklärt der neue Bericht. Bevor sich Covid-19 rund um den Globus verbreitete, befanden sich mRNA-Impfstoffe in den frühen Stadien der Entwicklung in Biotech-Firmen, und die Nanotechnologie stand im Mittelpunkt ihrer Bemühungen.

"Schließlich sind Viren natürlich vorkommende Nanopartikel, und in der Tat versucht die Nanotechnologie-Gemeinschaft seit langem, aus den Eigenschaften von Viren Kapital zu schlagen und ihr Verhalten zu imitieren, zum Beispiel für das Design von virusähnlichen Nanopartikeln für die gezielte Verabreichung von Medikamenten und das Gen-Editing", heißt es in einem Leitartikel in Nature Nanotechnology vom August.

Einmal in einen Impfstoff verpackt, sollte die Boten-RNA, die für ein Protein auf der Oberfläche des neuartigen Coronavirus kodiert, die Körperzellen dazu zwingen, dieses Protein zu produzieren, was eine Reaktion des Immunsystems auslöst, die dem Körper beibringt, wie er das Virus bekämpfen und so Covid-19 verhindern kann. Diese Technik unterscheidet sich von der herkömmlicher Impfstoffe, die Krankheitskomponenten imitieren, um das Immunsystem dazu zu bringen, Abwehrkräfte gegen zukünftige Infektionen mit dem echten Virus aufzubauen. Im Gegensatz dazu setzen mRNA-Impfstoffe die zelluläre Proteinproduktion in Gang, um den Eindringling zu bekämpfen.

Ein Nanocarrier-System aus Lipid- oder Polymer-Nanopartikeln kann mRNA in die Zellen einschleusen, um sie anzuweisen, Antigene zu produzieren und das Immunsystem zur Bildung von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 anzuregen. Diese Lipide und Polymere sind so konzipiert, dass sie Enzymen entgehen, die die mRNA schnell abbauen oder die Aufnahmefähigkeit der Zellen einschränken könnten. Es können auch immunstimulierende Booster hinzugefügt werden, um eine stärkere Immunantwort zu provozieren.

Nanomaterialien könnten auch eine Schlüsselrolle dabei spielen, Impfstoffe zu Menschen in ressourcenarmen oder dicht besiedelten Ländern zu bringen. Impfstoffe könnten eines Tages über Mikronadelpflaster, langsam freisetzende Implantate für Einzeldosen, Nanomaterialien auf Filmbasis oder pflanzliche virale Nanopartikel zur Antigenverabreichung verabreicht werden, die keine Kühlketten benötigen. Aber es bleibt abzuwarten, ob SARS-CoV-2 mehr wie die Grippe sein wird und jedes Jahr eine neue Impfung erfordert.

Nanoformulierungen könnten verwendet werden, um stärkere Dosen von intravenösem oder inhalativem Dexamethason - eines der wenigen existierenden Medikamente, die eine gewisse Wirksamkeit bei der Dämpfung der Entzündung zeigen, unter der einige Covid-19-Patienten leiden - direkt an hyperaktivierte Immunzellen abzugeben. Auf der Grundlage von Tierversuchen mit anderen Krankheiten - rheumatoide Arthritis, entzündliche Darmerkrankungen, Multiple Sklerose, Leberfibrose und Krebs - glauben die Wissenschaftler, dass es wirksamer wäre, das in einem Liposomen-Nanocarrier eingeschlossene Steroid direkt an Makrophagen zu verabreichen, wo sich bekanntermaßen Nanopartikel ansammeln, als "freies" Dexamethason zu verabreichen, um die Zytokinstürme zu kontrollieren, unter denen Patienten leiden, wenn ihre Immunantwort zu stark ist.

Dexamethason wurde bereits als Nanomedikament für die Behandlung des Multiplen Myeloms formuliert. Für Covid-19 könnte eine Nanomedizin-Formulierung die gezielte Bekämpfung bestimmter Immunzellen in der Lunge ermöglichen, wenn es inhaliert wird, oder anderer Immunzellen an anderer Stelle, wenn es intravenös verabreicht wird.