Nanopartikel-Impfstoff bewirkt anhaltende Immunreaktion

Forschende um Dr. Cuiping Liu und Dr. Lingshu Wang vom Vaccine Research Center, US-National Institute of Allergy and Infectious Diseases am NIH in Bethesda, beschreiben jetzt im Wissenschaftsjournal »npj vaccines« die Entwicklung und Charakterisierung neuer Impfstoffkandidaten zum Schutz vor Covid-19. Diese Impfstoffkonstrukte basieren auf selbstorganisierenden Nanopartikeln, die Fusionsproteine aus der Ektodomäne (Aminosäuren 1 bis 1206) des SARS-CoV-2-Spike-Proteins mit dem Hepatitis-B-Oberflächenantigen (HBsAg) enthalten. Die beiden Protein-Domänen sind über Peptid-Linker aus Glycin-Serin-Dipeptiden (GS-Linker) miteinander verbunden.

Die Information für die Fusionsproteine ist auf Plasmid-DNAs kodiert, die in Kombination mit einer Elektroporation zur Immunisierung eingesetzt werden. Im Körper des Geimpften werden dann die Fusionsproteine gebildet, die sich von selbst zu Nanopartikeln zusammenlagern.

Die unterschiedlichen Impfstoffkonstrukte enthalten zur Stabilisierung der Präfusionskonformation Spike-Protein-Varianten entweder mit zwei (S2P) oder sechs Prolin-Substitutionen (S6P). Ferner wurden auch Konstrukte getestet, bei denen die Proteindomänen über 12 (S6P-12-HBsAg) beziehungsweise 16 Linker-Elemente (S6P-12-HBsAg) miteinander verbunden waren.

Die Impfstoffkonstrukte wurden zunächst auf ihre Neutralisierungswirkung gegen Pseudoviren mit dem Spike-Protein der Wildtypvariante, dann aber auch gegen Pseudoviren mit Spike-Proteinen der SARS-Co-2-Varianten D614G, Beta, Delta und Omikron BA.1 getestet.

Die Immunantwort von Mäusen, die zwei Impfdosen mit den S6P-HBsAg-Nanopartikel-Impfstoffkandidaten erhalten hatten, zeigte eine deutlich bessere Neutralisierungswirkung gegen alle diese Viren als die von Mäusen, die mit löslichen S2P- oder S6P-Konstrukten immunisiert worden waren.

Die Forschenden untersuchten auch die Dauerhaftigkeit der durch die S6P-HBsAg-Nanopartikel-Impfstoffkandidaten ausgelösten Neutralisierungswirkung. Dabei zeigte sich, dass in der 14. Woche nach Impfung die durch S6P-12-HBsAg- oder S6P-16-HBsAg-Impfstoffe ausgelösten ID50- und ID80-Werte signifikant höher blieben als die Werte, die durch die gleiche oder höhere Dosis von löslichem S2P- und S6P-Impfstoffen ausgelöst wurden. Der Neutralisationstiter (ID50) beschreibt den Titer, der zu einer 50-prozentigen Hemmung einer Bindung zwischen Antigen und Antikörper führt.

Bemerkenswert ist auch, dass die durch 0,4 µg S6P-12-HBsAg (12 Linker-Elemente) oder S6P-16-HBsAg (16 Linker-Elemente) ausgelösten ID50-Werte von Woche sechs  auf Woche 14 noch anstiegen, allerdings ohne statistische Signifikanz. Bei einer Impfdosis von 10 µg blieb die Neutralisierungsaktivität für lösliches S2P bis Woche 22 und bis Woche 45 für lösliches S6P und S6P-HBsAg auf vergleichbarem Niveau. Wurden Impfdosen von 2 und 0,4 µg verwendet, ließ sich eine Neutralisierungsaktivität für die Impfstoffe mit löslichem S2P und S6P nur bis zur 14. Woche nachweisen. Für den S6P-HBsAg-Impfstoffkandidaten blieb die Neutralisationsaktivität bei diesen Dosen bis zur 45. Woche, also etwa sieben Monate länger, auf einem wesentlich höheren Niveau erhalten.

Da ein großer Teil der Bevölkerung weltweit bereits mit dem Hepatitis-B-Oberflächenantigen entweder über eine natürliche Infektion oder eine Hepatitis-B-Impfung in Kontakt gekommen ist, testeten die Forschenden auch, ob S6P-HBsAg-Impfstoffe bei Mäusen, die zuvor mit dem rekombinanten Hepatitis-B-Impfstoff Recombivax HB geimpft worden waren, eine gute Antikörperreaktion gegen SARS-CoV-2 induzieren können. Dazu wurden die Mäuse in der Woche 0 mit Recombivax HB geimpft. Danach erhielten sie in den Wochen 4 und 8 zwei DNA-Immunisierungen entweder mit dem S6P-HBsAg-Impfstoff oder mit Impfstoffen, die die löslichen Antigenvarianten enthielte. 

In fast allen Dosierungen der verschiedenen Impfstoffe fiel die Immunreaktion bei den vorgeimpften Tieren stärker aus als bei den nicht vorgeimpften. Das Team beobachtete zwischen Mäusen mit und ohne Recombivax-HB-Vorimpfung zwei Wochen nach der zweiten DNA-Immunisierung einen bis zu 7,5-fachen Unterschied bei den ID50-Werten .

Es zeigte sich, auch dass nach einer DNA-Immunisierung mit 10 µg, 2 µg und 0,4 µg des S6P-HBsAg-Impfstoffkandidaten in der Woche sechs, also zwischen der ersten und der zweiten Impfung, vergleichbare Mengen an Anti-Wildtyp-S2P-Antikörpern nachweisbar waren wie bei Tieren, die mit den löslichen Impfstoffkandidaten immunisiert worden waren. Zwei Wochen nach der zweiten Immunisierung waren hingegen bei den Tieren, die 2 µg und 0,4 µg des S6P-16-HBsAg-Impfstoffkandidaten erhalten hatten, signifikant höhere Antikörpertiter nachweisbar als bei den Tieren, die einen Impfstoff mit dem löslichen Antigen erhalten hatten. Die Immunisierung mit 0,4 µg und 10 µg des S6P-HBsAg-Impfstoffkandidaten induzierte 6,1- bis 24,3-Mal beziehungsweise 3,9- bis 45,8-Mal höhere geometrische mittlere ID50-Werte als die gleiche Dosis der Impfstoffe mit löslichen Antigenen.

Die Forscher vermuten, dass Impfstoffplattformen mit Nanopartikeln, wie die in der Studie beschriebenen Spike-HBsAg-Nanopartikel, die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit der Immunantwort verbessern können.

Allerdings schränken sie ein, dass DNA-Impfstoffe bei Mäusen zwar hoch immunogen sind, dass jedoch bei nicht menschlichen Primaten und Menschen DNA weniger immunogen zu sein scheint als mRNA. Daher sollte in weiteren Studien überprüft werden, ob sich das Nanopartikelkonzept der S6P-HBsAg-Konstukte auch mit mRNA realisieren lässt.