Mit den eigenen Waffen schlagen

Forschung aktuell –
Neue HIV-Impfstoffe
Mit den eigenen Waffen schlagen
Neue HIV-Impfstoffe im klinischen Test
Die Entwicklung eines Impfstoffs, der das Immunsystem zum Kampf
gegen HIV stimuliert, ist eine der größten Herausforderungen in der
AIDS-Forschung. Dabei steht die Impfstoffforschung vor der großen Aufgabe, einen therapeutischen Impfstoff gegen eine schon bestehende
Infektion zu entwickeln. Erste Erfolge erzielten Wissenschaftler nun am
GSF-Institut für Molekulare Virologie mit einem Impfstoff auf Basis eines
gentechnisch veränderten Vaccinia-Virus, der nun mit einem weiteren
Impfstoff zu einer schlagkräftigen Verbindung kombiniert werden soll. Mit
Hilfe solcher Kombi-Impfstoffe hoffen die Wissenschaftler, eines Tages
Gesunde vor einer Infektion schützen zu können.
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rotz aller Aufklärungskampagnen ist
AIDS weltweit auf dem Vormarsch.
Vor allem im südlichen Afrika hat die
Krankheit katastrophale Ausmaße angenommen, aber auch in zahlreichen anderen Ländern steigt die Zahl der Neuinfektionen rapide. Zwar gibt es mittlerweile hoch wirksame
antivirale Therapien, aber besonders für
Drittweltländer sind diese unerschwinglich weltweit stehen diese Medikamente nur etwa fünf Prozent aller Infizierten zur Verfügung. Zudem halten moderne Therapien
(HAART – Hochaktive anti-retrovirale Therapie) die Viruslast zwar lange Zeit niedrig und
verhindern damit einen Ausbruch der Krankheit, sie können jedoch das Virus nicht vollständig aus dem Körper entfernen.
T
HIV-Infektionsraten 2005
HIV-Infizierte, weltweit
>>> 40,3 Mio (36,7-45,3 Mio)
HIV-Neuinfektionen 2005
>>> 4,9 Mio (4,3-6,6 Mio)
HIV-bedingte Todesfälle (2005) >>> 3,1 Mio (2,8-3,6 Mio)
HI-Viren im Rasterelektronenmikroskop: Nach
rasanter Vermehrung in den Zellen des menschlichen Immunsystems bahnen sich die HI-Viren den
Weg zu neuen Wirtszellen.
Vektor-Impfstoff mit
speziellem Bauplan
„Ziel einer Impfung muss es sein, das Immunsystem bereits HIV-infizierter Patienten mit
Hilfe des Vektor-Impfstoffs so zu stimulieren,
dass der Ausbruch von AIDS hinausgezögert
oder sogar verhindert wird“, erklärt Professor
Volker Erfle, kürzlich verabschiedeter Direktor des GSF-Instituts für Molekulare Virologie. Die Wissenschaftler des Instituts entwickelten dazu zunächst einen Vektor-Impfstoff
auf der Basis harmloser gentechnisch veränderter MVA-Viren (modifiziertes Vacciniavi-
rus Ankara), in die der Bauplan für das HIVProtein Nef eingeschleust wurde. Nef wurde
gewählt, weil es im Lebenszyklus des Virus
eine entscheidende Rolle spielt: Nef wird von
infizierten Zellen bald nach der Infektion gebildet und sorgt für eine effektive Vermehrung des Virus. Ohne Nef bricht AIDS nicht
aus. Funktioniert die Impfung, schlägt sie den
Erreger mit seinen eigenen Waffen: Die eingeimpften Vektoren befallen Körperzellen
und regen sie zur Bildung von Nef an, wodurch die Immunantwort gegen Nef stimuliert wird und dieses ausgeschaltet wird. Dabei werden sowohl Antikörper gegen Nef gebildet (= humorale Abwehr), als auch
spezifische Abwehrzellen aktiviert, die infizierte Zellen zerstören (= zelluläre Abwehr).
„Unsere Idee war, nach einer therapeutischen Impfung zu suchen, die die Immunantwort so stimuliert, dass die Zahl der virusspezifischen CD4-positiven T-Zellen hoch
bleibt“, erklärt Dr. Antonio Cosma vom GSFInstitut für Molekulare Virologie.
Allein im Jahr 2005 infizierten sich weltweit 4,9 Millionen Menschen mit dem
HI-Virus.
Als ersten Praxistest führte Erfle gemeinsam
mit Professor Frank Goebel, dem Leiter der
AIDS-Ambulanz an den Münchner Innenstadt-Kliniken und Wissenschaftlern des
Münchner Klinikums rechts der Isar eine kli-
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Helferzellen im Einsatz
Anstieg der HIV-Nef spezifischen CD4-T-Zellen nach Immunisierung () mit einer Vaccinia Virus (MVA)- basierten
HIV-Nef-Vakzine
Den Erreger mit seinen eigenen Waffen
schlagen: Nach Immunisierung mit einer
Vaccinia-virus (MVA-)basierten HIV-NefVakzine werden spezifische CD4-Abwehrzellen aktiviert, die infizierte Zellen zerstören.
CD4-positive T-Zellen sind so genannte
Helferzellen, die das Immunsystem stimulieren und für die Ausbildung schützender
Immunantworten eine entscheidende Bedeutung haben. Bei Infektionen produziert
das befallene Gewebe bestimmte Antigene, die von T-Zellen erkannt werden. Die
Zahl der spezifisch auf das jeweilige Antigen reagierenden T-Zellen ist daher ein
gutes Indiz für die Abwehrbereitschaft des
Immunsystems.
HIV attackiert diese Zellen, deswegen
sinkt ihre Zahl nach einer Infektion in der
Regel ab. Dass das Immunsystem prinzipiell HIV auch aus eigener Kraft kontrollieren kann, zeigen so genannte LNTP-Patienten („Long-term non-progressors“), bei
denen AIDS auch ohne Therapie nicht ausbricht, obwohl sie teilweise seit mehr als
20 Jahren infiziert sind. Sie schaffen es,
das Virus in Schach zu halten, weil ihr
Immunsystem anders auf eine HIV-Infek-
Prof. Dr. Volker Erfle, früherer Direktor des GSFInstituts für Molekulare Virologie (rechts im Bild)
entwickelte mit der Vektorgruppe einen therapeutischen Impfstoff gegen HIV. Dieser stimuliert die
Immunantwort dahingehend, dass die Zahl der
virusspezifischen CD4-positiven Zellen hoch bleibt
und infizierte Zellen zerstört werden. Dr. Antonio
Cosma (links im Bild) führt bei den klinischen Studien das Immunmonitoring durch.
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tion reagiert: Normalerweise steigt die
Zahl der CD4-Zellen nach der Infektion
zwar an, fällt dann aber auf sehr niedrige
Werte ab. Im Gegensatz dazu bleibt bei
LNTP-Patienten die Anzahl der CD4-positiven T-Zellen nach der Infektion konstant
erhöht.
nische Phase-I-Studie zur Impfung mit MVANef durch. Das Ergebnis war schon bei einmaliger Immunisierung ermutigend: Bei vier
der zehn geimpften Patienten stieg die Zahl
der Nef-spezifischen CD4-Zellen an. „Bei keinem Patienten war dieser Zelltyp vorher
nachweisbar, es zeigte sich somit eine deutliche Immunreaktion auf die Zielstruktur HIVNef“ erklärt Cosma. Alle Probanden waren
seit längerem HIV-infiziert und wurden mit
HAART behandelt, was auch während der klinischen Studie zunächst fortgesetzt wurde.
Nach der Impfung waren sieben der zehn Patienten damit einverstanden, die antivirale
Therapie zu stoppen. Zwar nahm bei allen die
Zahl der HI-Viren daraufhin zu, aber auch die
Immunantwort gegen Nef steigerte sich – ein
Beweis dafür, dass der Patient von der Impfung profitiert. Dennoch mussten sechs Patienten nach einigen Wochen die medikamentöse Therapie wieder aufnehmen.
Impfstoff im Praxistest
Der am besten auf die Impfung ansprechende
Patient schafft es seit fast drei Jahren, das
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Virus aus eigener Kraft zu kontrollieren. Bei
diesem Patienten ist nicht nur die Zahl der
CD4-Zellen hoch und stabil, sondern er zeigt
auch eine starke CD8-Immunantwort. CD8-TZellen sind zytotoxische Zellen, die infizierte
Zellen erkennen und vernichten. CD4-T-Zellen produzieren Wachstums- und Signalfaktoren, die dafür sorgen, dass CD8-T-Zellen
gebildet und erhalten werden. Für eine erfolgreiche Immunabwehr müssen beide Zelltypen ausreichend vorhanden sein. „Dieser
Patient ist für uns natürlich sehr interessant,
denn wenn wir herausfinden, warum seine
Immunantwort so stark ist, können wir eventuell auch anderen Patienten besser helfen“,
erklärt Cosma.
Die Immunantwort im Auge
behalten
Da sich am klinischen Zustand geimpfter Patienten oft wenig ändert, ist es wichtig, den
Zustand des Immunsystems durch ein gutes
Immunmonitoring zu erfassen. Um den Impferfolg zu bewerten und um Marker für die Immunantwort zu finden, entwickelten die Wissenschaftler neue Methoden, die einen tieferen Einblick in immunologische Vorgänge
erlauben. „Mit Hilfe neuer Methoden der
Durchflusszytometrie beispielsweise können
wir den Phänotyp einzelner T-Zellen erfassen
und exakt bestimmen, welche Marker diese
Zellen exprimieren – und zwar bis zu 13 Marker gleichzeitig“, erklärt Cosma. Auf diese
Weise können die Wissenschaftler untersuchen, wie T-Zellen auf die Impfung reagieren
und die Immunantwort einzelner Patienten
charakterisieren. „Um Marker für eine besonders gute Immunantwort zu finden, wollen wir beispielsweise herausfinden, inwiefern sich die Immunantwort des Patienten,
der am besten auf die HIV-Nef-Impfung reagierte, von der anderer Patienten unterscheidet“, so Cosma.
T - Zellen besser
charakterisieren
Ein wesentlicher Durchbruch für das Monitoring von Immuntherapien war die Etablierung
der MHC-Tetramer-Technologie durch die Klinische Kooperationsgruppe „Antigen-spezifi-
sche Immuntherapie“ unter Leitung von Prof.
Dr. Dirk Busch. Diese Methode zur Charakterisierung Antigen-spezifischer T-Zellpopulationen nutzt die so genannte MHC-Restriktion: T-Zellen erkennen Antigene nur, wenn
diese durch ein MHC-Molekül präsentiert
werden. Allerdings werden einzelne MHCAntigen-Komplexe nur schwach gebunden
und dissoziieren schnell. Die Wissenschaftler vernetzen deshalb mehrere Komplexe miteinander, wodurch Strukturen mit stabilerer
Bindung entstehen. In der Regel werden vier
Komplexe zu so genannten Tetrameren zusammengeschlossen. An T-Zellen gebundene
Tetramere wiederum können mit Hilfe von
Fluoreszenz-Farbstoff direkt sichtbar gemacht werden. „Die Tetramer-Technologie ist
Einen wesentlichen Durchbruch für die direkte Untersuchung von Antigen-spezifischen T-Zellen erzielte Prof. Dr.
Dirk Busch mit seiner Klinischen Kooperationsgruppe
„Antigen-Spezifische Immuntherapie“: Mit der von ihm entwickelten MHC-Multimer-Technologie ist es jetzt möglich,
epitop-spezifische T-Zellen
sichtbar zu machen und mit
hoher Reinheit zu isolieren.
Europaweite Suche nach therapeutischem Impfstoff
Die Vakzinierungsstudien waren und sind
Teil europäischer Kooperationen. Um nun die
Entwicklung eines neuen Kombi-Impfstoffs
gegen HIV noch besser zu koordinieren und
Im Rahmen des europäischen
zu beschleunigen, wurden europaweit alle
Großprojekts AVIP (AIDS Vaccibestehenden und geplanten Aktivitäten in
ne Integrated Project) arbeiten
einem großen gemeinsamen Projekt
Wissenschaftler des GSF-Instizusammengefasst. Im Rahmen von AVIP
tuts für Molekulare Virologie an
(„AIDS Vaccine Integrated Project“) wollen
der Entwicklung eines neuen
Kombi-Impfstoffs. Er soll als the15 verschiedene Arbeitsgruppen und Institurapeutischer Impfstoff für infitionen, darunter auch eine Arbeitsgruppe
zierte Patienten eingesetzt werdes GSF-Instituts für Molekulare Virologie,
den, eines Tages aber auch
vier neue Impfstoffe gegen HIV entwickeln
Gesunde vor einer Infektion mit
und in klinischen Phase-I- Studien mit gesunHIV schützen.
den Probanden testen. Allen Impfstoffen
gemeinsam ist die Kombination von regulatorischen und strukturellen HIV-Proteinen. 2009, wenn die fünfjährige Förderperiode endet, will AVIP eine Vakzine
präsentieren, die sich für den Einsatz als therapeutischer Impfstoff in klinischen
Phase-II- und -III-Studien bei HIV-infizierten Patienten eignet. Für dieses Ziel stehen dem AVIP-Konsortium insgesamt mehr als 20 Millionen Euro zur Verfügung,
die Hälfte davon aus dem 6. Rahmenprogramm der EU.
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Patent für HIV-Diagnose im Frühstadium
Wenn HIV-Impfstoffe bei infizierten
Patienten erprobt werden, ist es
besonders wichtig, den Verlauf der HIVInfektion im Auge zu behalten. Dies
geschieht durch die regelmäßige Überprüfung der Viruslast im Blut, bei der die
Genome der HI-Viren im Plasma quantitativ erfasst werden. Mit dieser Methode
wird jedoch nur freies Virus nachgewiesen, die in Zellen „versteckten“ Viren werden so nicht entdeckt. Die Arbeitsgruppe
von Dr. Ruth Brack-Werner, der neuen
kommissarischen Leiterin des GSF-InstiMit einem neu bei der GSF entwituts für Molekulare Virologie, entwickelte
ckelten und bereits patentierten
und patentierte deshalb ein Verfahren, um
Verfahren lässt sich in frisch infiinfizierte Zellen im Blut von HIV-Patienten
zierten Patientenzellen die Aktivität
nachzuweisen. Dafür werden die Patien(im Bild rot) früher regulatorischer
Proteine von HIV quantitativ erfastenzellen isoliert und gentechnisch
sen. Dr. Ruth Brack-Werner, neue
behandelt. In der Folge dieser Behandlung
kommissarische Leiterin des GSFfärben sich infizierte Zellen, in denen die
Instituts für Molekulare Virologie,
frühen, regulatorischen Proteine von HIV
will damit die Wirkung von HIVaktiv sind, rot und können somit quantitaImpfstoffen noch früher und exakter
dokumentieren.
tiv erfasst werden. „Diese hoch-sensitive
Methode erlaubt zum ersten Mal den
Nachweis einzelner HIV-infizierter Zellen, in denen die Virusproduktion gerade
erst begonnen hat“, erklärt Brack-Werner, „sie wird uns helfen, die Wirkung HIVhemmender Substanzen oder Impfstoffe noch früher und exakter zu erfassen und
zu dokumentieren.“
ein sehr nützliches Werkzeug, um virusspezifische T-Zellen zu finden, die anschließend
weiter untersucht werden sollen“, erzählt
Busch.
Hoffnungen auf KombiImpfstoff
Kontakt
PD Dr. Ruth Brack-Werner
GSF-Institut für Molekulare
Virologie
Tel.: 0 89/31 87-29 23
[email protected]
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Ein Problem aller bisher entwickelten HIVImpfstoffe ist die Wandelbarkeit des Virus:
Es mutiert sehr schnell und schon kleinste
Veränderungen seiner Oberflächenproteine
können dafür sorgen, dass es von T-Zellen
nicht mehr erkannt wird. Um für die Zukunft
einen noch wirksameren Impfstoff zu gewinnen, planen die Wissenschaftler daher, verschiedene HIV-Impfstoffe zu kombinieren,
die das Virus auf unterschiedliche Art und
Weise attackieren: Einige Impfstoffe enthalten strukturelle Virus-Bestandteile, andere
wirken über regulatorische Proteine, die den
Vermehrungszyklus des Virus oder die Ex-
pression seiner Gene steuern. Enthält der
neu entstandene Impfstoff sowohl strukturelle als auch regulatorische Bestandteile,
liefert er dem Immunsystem ein breites Spektrum an Angriffspunkten, da der Körper eine
Immunabwehr gegen alle geimpften Komponenten aufbaut.
Die GSF-Wissenschaftler werden noch 2006
in einer neuen klinischen Studie die Kombination von MVA-Nef mit einem weiteren
Impfstoff testen, der das Immunsystem mit
dem HIV-Hüllprotein Env konfrontiert. „Auf
diese Weise aktivieren wir das Immunsystem
einerseits über Nef zu zellulären Abwehrmechanismen und verstärken andererseits über
das Env-Protein die Antikörperbildung, denn
das Hüllprotein wird auf der Oberfläche exprimiert und gibt daher ein gutes Ziel für spezifische Antikörper ab“, erklärt Cosma. In Zusammenarbeit mit Professor Goebel wird die
klinische Studie mit 50 Probanden starten,
die in kleine Gruppen aufgeteilt werden, um
alle möglichen Kombinationen der Impfstoffe
untersuchen zu können. „Wenn beides gemeinsam geimpft wird, ist oft ein Impfstoff
dominant und der andere fällt unter den
Tisch“, bedauert Cosma, „daher ist es besser,
die verschiedenen Impfstoffe nach und nach
zu impfen: Wenn ein Impfstoff angeschlagen
hat, folgt die nächste Impfung“.
Die neue Kombi-Impfung wird zunächst an
gesunden Personen getestet. Während
MVA-Nef als therapeutischer Impfstoff für
bereits HIV-Infizierte gedacht war, hoffen die
Wissenschaftler, mit den neuen Kombi-Impfungen eines Tages Gesunde vor Ansteckung
schützen zu können. Ob es in absehbarer Zeit
tatsächlich gelingt, solch einen wirksamen
Impfschutz gegen HIV zu entwickeln, ist noch
unsicher. Aber schon ein Impfstoff, der das
Immunsystem so weit aktiviert, dass das Infektionsrisiko sinkt, wäre eine große Hilfe bei
der Bekämpfung der AIDS-Pandemie – vor allem in Drittweltländern, wo die medikamentöse HIV-Therapie aus finanziellen und logistischen Gründen für die meisten Infizierten
nicht in Frage kommt.