Wie funktioniert ein mRNA Impfstoff?

Aus aktuellem Anlass möchte ich hier einmal erklären, wie ein mRNA Impfstoff wirkt, ob das wirklich ein "genmanipulierter Impfstoff" oder gar eine "Genmanipulation am Menschen" ist, wie das manchmal dargestellt wird. Dieser Artikel erschien auch als Gastbeitrag bei Astrodicticum Simplex auf scienceblogs.de.

Wie funktioniert eine Impfung?

Das hier ist die kurze Zusammenfassung, wie eine Impfung funktioniert, aus meinem Beitrag über Impfungen aus dem Blogschreibbewerb 2018 (mehr Details könnt Ihr dort nachlesen): Man kann sich Impfen gut wie einen Steckbrief vorstellen: Durch die Impfung wird der Abwehr unseres Körpers (dem Immunsystem) gezeigt, wie ein Krankheitserreger aussieht, damit sich der Körper besser und vor allem schneller gegen diesen Krankheitserreger wehren kann. Dadurch kann in den meisten Fällen eine Infektion verhindert werden, da die Immunabwehr die Krankheitserreger erkennt und zerstört bevor sie sich im Körper vermehren können. Der große Vorteil daran ist, dass das eigene Abwehrsystem unseres Körpers genutzt wird um im Vorfeld zu verhindern, dass man überhaupt krank wird. Dafür ist nur ein minimaler Eingriff (Spritze) mit kaum Nebenwirkungen (oft leichte Schmerzen an der Einstichstelle und manchmal ein Tag leichtes Fieber) nötig. Eine Impfung wirkt meist nach ein bis drei Anwendungen für viele Jahre, manchmal das ganze Leben. Selbstverständlich enthält ein Impfstoff keine kleinen Bildchen, die in den Dienststellen der Körperabwehr ausgehängt werden. Stattdessen enthalten Impfstoffe Teile der Krankheitserreger, die unsere Körperabwehr mit dem Krankheitserreger vertraut machen.

Was ist das Besondere an einem mRNA Impfstoff?

Das Besondere an einem mRNA Impfstoff ist, wie die Teile der Krankheitserreger - die Steckbriefe - hergestellt werden anhand derer das Immunsystem später die Viren erkennt.

Bei herkömmlichen Impfstoffen sind Teile der Krankheitserreger bereits im Impfstoff erhalten. Das können entweder abgetötete Krankheitserreger sein (ein Totimpfstoff wie er z.B. gegen Covid-19 in China eingesetzt wird), abgeschwächte Erreger (wie z.B. bei der Lebendimpfung gegen Kinderlähmung) oder auch harmlose Viren, in deren Hülle Teile des zu bekämpfenden Krankheitserregers gentechnisch eingebaut wurden (wie z.B. aktuell beim Covid-19 Impfstoff von AstraZeneca). All diese Methoden haben den Nachteil, dass die Teile des Krankheitserregers relativ aufwendig herzustellen sind und dass vom Herstellungsprozess noch andere Stoffe im Impfstoff verbleiben. Zum Beispiel werden Impfstoffe die Viren enthalten oft in Hühnereiern gezüchtet. Das dauert viele Monate und am Ende enthält der Impfstoff neben dem eigentlichen Wirkstoff auch Hühnereiweiß, auf das manche Menschen allergisch reagieren. Außerdem enthalten herkömmliche Impfstoffe oft noch Zusatzstoffe, die die Immunantwort verstärken (sogenannte Adjuvantien). Dies ist insbesondere bei Totimpfstoffen der Fall, da diese ansonsten keine ausreichende Schutzwirkung entfalten.

Im Gegensatz dazu enthalten mRNA Impfstoffe den Bauplan für die Teile der Krankheitserreger in Form von mRNA. mRNA lässt sich sehr schnell (wenn auch bisher leider nicht kostengünstig) herstellen. mRNA Impfstoffe sind also schneller verfügbar als herkömmliche Impfstoffe. Des Weiteren kann mRNA sehr rein hergestellt werden. mRNA Impfstoffe enthalten also tendenziell weniger Inhaltsstoffe, die Nebenwirkungen auslösen können.

Aber wie kann das Immunsystem anhand der Baupläne dann die Krankheitserreger erkennen?

Bei mRNA-Impfstoffen läuft die Herstellung der eigentlichen Teile des Virus (der Steckbriefe), die unsere Immunabwehr auf die Abwehr von Covid-19 trainieren nicht in der Fabrik des Impfstoffherstellers ab sondern in unserem Körper! Wie bitte, unser Körper als Impfstofffabrik?!? Ja genau! Die Teile des Virus sind nämlich nichts anderes als Proteine, die auch jede unserer Zellen jeden Tag millionenfach herstellt. Um zu verstehen wie das funktioniert müssen wir einen kurzen Ausflug in die Biochemie machen:

Was ist eigentlich ein Protein?

Proteine sind ein sehr wichtiger Bestandteil unserer Zellen. Die meisten wichtigen Funktionen in der Zelle wie z.B. die Bewegung unserer Muskeln werden von Proteinen angetrieben und gesteuert. Proteine bestehen aus einer chemisch verknüpften Kette von Aminosäuren. Die Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt die Eigenschaften und den dreidimensionalen Aufbau des Proteins und damit seine Funktion. Man kann sich das ein wenig wie eine gekochte Spaghetti vorstellen, die verdrillt wird und sich dabei zu einem Knäuel zusammenballt. Mit dem Unterschied, dass das bei einem Protein nicht Zufällig passiert, sondern nach einem bestimmten Muster das von der Reihenfolge der Aminosäuren vorgegeben wird.

So stellen die Zellen unseres Körpers Proteine her (Proteinbiosynthese)

Für jedes Protein wird die Reihenfolge der Aminosäuren durch ein Gen in unserer DNA bestimmt. Deshalb nennt man die DNA auch den Bauplan unseres Körpers. Die Zelle hält es mit diesem Bauplan ähnlich wie beim Bau eines Hauses: Der wichtige komplette Bauplan verbleibt sicher im Büro des Architekten. Auf der Baustelle selbst arbeitet man mit Kopien. Die Zelle macht das genauso: Die DNA selbst verbleibt sicher im Zellkern. Für den eigentlichen Bau der Proteine werden Arbeitskopien hergestellt, die nur Vorübergehend benutzt werden und bei denen es nicht schlimm ist, wenn sie kaputt gehen, da jederzeit eine neue Kopie hergestellt werden kann. Diese Arbeitskopie nennt man die mRNA. AHA, die Abkürzung mRNA kommt doch auch in der Überschrift vor, wir kommen dem eigentlichen Thema also wieder näher. Hierbei handelt es sich nämlich um den wichtigsten Bestandteil der mRNA Impfstoffe. Die mRNA wird im Zellkern hergestellt, indem aus dem großen Gesamtbauplan (der DNA) ein kurzer Abschnitt (das Gen) kopiert wird, der den Bauplan für ein bestimmtes Protein enthält. Genau genommen wird dabei nicht eine identische Kopie erstellt, sondern die DNA wird in ein chemisch etwas anderes Molekül - die mRNA - umgeschrieben (der Fachbegriff dafür lautet Transkription). Die fertige mRNA wird dann aus dem Zellkern in den Hauptkörper (das Zytoplasma) der Zelle transportiert also quasi vom Architekturbüro auf die Baustelle. Dort gibt es kleine Maschinen - die Ribosomen, die nach dem Bauplan der mRNA das eigentliche Protein herstellen. Die Gensequenz der mRNA wird dabei in die Reihenfolge der Aminosäuren im Protein übersetzt - ein Prozess der Translation genannt wird. Dabei kann die mRNA mehrfach für die Herstellung vieler Proteinmoleküle verwendet werden. Damit die Zelle aber die Kontrolle darüber behält, wie viel von einem bestimmten Protein hergestellt wird, hat jede mRNA nur eine begrenzte Haltbarkeit. Spätestens nach einigen Tagen wird sie von der Zelle wieder abgebaut und die Bestandteile werden recycelt und im Zellkern für die Herstellung neuer mRNA Moleküle verwendet.

Noch einmal zusammengefasst: Im Zellkern wird ein Gen abgelesen, dieses wird in mRNA umgeschrieben und vom Zellkern in den Zellkörper transportiert, wo nach dem Bauplan der mRNA Proteine hergestellt werden.

Das ganze wird auch noch einmal detailliert in dieser Youtube Animation (auf englisch) dargestellt:

Wie macht man nun aus mRNA einen Impfstoff?

Der Impfstoff enthält also mRNA - einen Bauplan für einen Teil des Virus. Wenn wir diesen Bauplan an die richtige Stelle in unseren Zellen bekommen, können wir dafür sorgen, dass der Körper diesen Teil des Virus selbst herstellt. Um das zu erreichen wird die mRNA in kleine Kügelchen verpackt. Die Hülle dieser Kügelchen besteht aus dem gleichen Material aus dem auch die Zellmembran besteht. Die Kügelchen können also mit der Zellmembran verschmelzen und ihren Inhalt in die Zelle abgeben. Ganz ähnlich wie eine mit Rauch gefüllte Seifenblase, die mit einer anderen Seifenblase verschmilzt:

Interessanterweise arbeitet ein Virus genauso: Es verschmilzt mit der Zellmembran und gibt sein Erbgut ins Innere der Zelle ab. Das Erbgut des Virus enthält die Baupläne für die Proteine, die nötig sind um neue Viren herzustellen und so das Virus zu vermehren.

Diese Gemeinsamkeit zwischen der Wirkungsweise des Impfstoffes und eines Virus hat den Vorteil, dass mRNA Wirkstoffe keine Wirkverstärker (Adjuvantien) benötigen.

Der wichtige Unterschied zwischen Virus und Impfstoff ist, dass der Impfstoff nur genau einen Bauplan für ein Protein enthält und nicht die gesamte Erbinformation des Virus. Der Impfstoff kann sich also - im Gegensatz zum Virus - nicht vermehren und uns deshalb auch nicht krank oder gar ansteckend machen. Das eine Protein ist aber genug, um der Körperabwehr das Virus bekannt zu machen und ihr dadurch zu helfen, eine Infektion zu verhindern. Ähnlich wie ein Steckbrief, der nur das Gesicht einer Zielperson zeigt.

Wie genau wirkt der mRNA Impfstoff?

Nachdem die Zelle die mRNA Baupläne aufgenommen hat, fängt sie munter an, das entsprechende Protein herzustellen. Als Sicherheitsmaßnahme gegen Virusinfektionen hat sich die Evolution dabei einige Tricks einfallen lassen: Bei der Herstellung eines Proteins werden manche Kopien des Proteins zerkleinert und die Bruchstücke werden auf der Oberfläche der Zelle präsentiert (in sogenannten Haupthistokompatibilitätskomplexen). Erkennt jetzt eine Immunzelle, dass dort Bruchstücke von körperfremden Proteinen präsentiert werden, so wird die Immunzelle aktiviert und fängt an Antikörper gegen dieses Protein zu produzieren. Dabei werden auch Gedächtniszellen produziert, die bei einer neuen Infektion sehr schnell sehr viele Antikörper und auch sogenannte T-Killerzellen zur Verfügung stellen können.

Wenn also ein Virus eine Zelle eines geimpften Menschen befällt wird ihm die Produktion seines eigenen Proteins zum Verhängnis: Das Immunsystem erkennt sofort, dass es sich gegen dieses Protein zur Wehr setzen muss. Es produziert Antikörper die das Protein (und damit das Virus) blockieren. Außerdem werden die T-Killerzellen aktiviert, die die infizierte Zelle abtöten und so die Herstellung weiterer Viren verhindern. Damit kann der Körper sehr schnell und effektiv reagieren und in den meisten Fällen eine Infektion mit dem Virus verhindern. Das "in den meisten Fällen" ist das, was mit der Effizienz des Impfstoffes angegeben wird. Konkret können die aktuellen mRNA Impfstoffe gegen Covid-19 in 95% der Fälle den Ausbruch der Krankheit verhindern.

Ist das ganze sicher?

Das ist die wichtigste Frage, die viele umtreibt, die noch zögern sich impfen zu lassen. Da wir jetzt ungefähr verstehen, wie der mRNA Impfstoff wirkt, können wir zumindest einige im Umlauf befindliche Gerüchte besser einordnen:

Gerücht 1: mRNA Impfstoffe können unser Erbgut verändern

Es ist verständlich, dass Menschen, die sich mit der Materie nicht auskennen diese Sorge umtreibt, immerhin enthält der Impfstoff doch Genmaterial aus dem auch unser Erbgut besteht - oder?

Das können wir mit einem klaren NEIN beantworten. der Impfstoff enthält RNA. Unser Erbgut besteht aber aus DNA. Der Unterschied klingt erst einmal nicht so groß: RNA steht für Ribonukleinsäure, DNA für Desoxyribonukleinsäure. Die Vorsilbe "Desoxy-" ist aber sehr wichtig. Sie bedeutet, dass es sich um chemisch verschiedene Moleküle handelt. Der Unterschied erlaubt es der Zelle genau zwischen DNA und RNA zu unterscheiden und es strikt zu vermeiden RNA zu kopieren. Wir erinnern uns: die DNA im Zellkern wird kopiert um mRNA herzustellen - niemals umgekehrt. Genau deshalb müssen RNA Viren auch immer selbst ein spezielles Protein (Reverse Transkriptase) mitbringen, dass die RNA erst in DNA umschreibt, bevor sie ihr Erbgut in der Zelle vermehren können.

Wenn es möglich wäre, mRNA in unser Erbgut einzubauen, dann gäbe es uns schlicht nicht: Unsere Zellen sind zu jeder Zeit voll von mRNA. Wenn diese in die DNA eingebaut würde, dann würde unser Erbgut sich ständig verändern und vergrößern, was die Zellen in unserem Körper zerstören würde. Es gäbe schlicht kein Leben auf der Erde.

Gerücht 2: mRNA Impfstoffe sind so neu, dass sie unzureichend getestet sind

An mRNA Therapeutika wird seit 30 Jahren geforscht. Das beinhaltet auch langwierige Studien zu Langzeitfolgen, in denen keine grundlegenden Probleme aufgetreten sind. Dass ist am Ende auch nicht sehr überraschend, da ja ein ganz normaler Körpereigener Prozess (die Proteinbiosynthese) ausgenutzt wird. Auch der konkret eingesetzte Impfstoff wurde genauso gründlich getestet, wie jeder andere Impfstoff. Das bedeutet er hat alle drei Phasen von klinischen Studien an freiwilligen Probanden erfolgreich abgeschlossen. In Phase 1 und 2 wurde (an einigen Hundert Probanden) die allgemeine Verträglichkeit und Unbedenklichkeit festgestellt. In Phase 3 wurde (an vielen Zehntausenden Probanden) die Wirksamkeit von 95% festgestellt. Bei diesen Tests sind nur die normalen Nebenwirkungen aufgetreten, die es bei jedem Impfstoff gibt: Schmerzen an der Impfstelle, Mattigkeit, in seltenen Fällen für kurze Zeit Fieber, Kopf- und Gliederschmerzen. In extrem seltenen Fällen kann es zu einem anaphylaktischen Schock kommen, wenn der Patient allergisch auf einen der Inhaltsstoffe reagiert. Das ist unter den Zehntausenden Probanden in zwei Fällen bei Patienten aufgetreten die unter sehr starken Allergien leiden und deshalb ständig einen sogenannten EPI-Pen mit sich tragen müssen. Nach Anwendung des EPI-Pens waren aber auch diese Patienten außer Gefahr. Genau deshalb sollen Menschen mit schweren allergien nach der Impfung noch für einige Minuten überwacht werden. Das ist bei diesen Menschen aber bei jeder Impfung der Fall. Außerdem ist das Risiko für solche Reaktionen bei mRNA Impfstoffen sogar geringer als bei konventionellen Impfstoffen, da die konventionellen Impfstoffe immer auch Nebenprodukte aus der Impfstoffproduktion enthalten (z.B. Rinderserum oder Hühnereiweiß etc.).

Ich will auch nicht verschweigen, dass es ein geringes Risiko gibt, dass die Impfung Autoimmunerkrankungen auslöst. Der Grund dafür ist, dass das Protein gegen das geimpft wird einem körpereigenen Protein ähneln kann und dann die Immunabwehr gegen das körpereigene Protein "anstachelt". Dasselbe Risiko besteht aber natürlich auch bei der Infektion mit dem Virus selbst. Da die mRNA-Impfung aber - im Gegensatz zum Virus - nur genau ein Protein enthält, ist dieses Risiko bei der Impfung wesentlich geringer als bei der Infektion selbst.
Das Problem mit einer Autoimmunerkrankung ist z.B. bei der Schweinegrippeimpfung aufgetreten, die in seltenen Fällen Narkolepsie ausgelöst hat. Das Nukleokapsidprotein (in dem das Erbgut des Virus verpackt ist) der Schweinegrippe ähnelt einem Rezeptor im Gehirn, der für die Schlafregulation verantwortlich ist. Das bedeutet aber auch, dass auch die Infektion mit dem Virus selbst das Risiko für Narkolepsie erhöht.

Gerücht 3: Die "natürliche" Infektion durch das Virus ist besser/gesünder als eine Impfung

Das ist eine ganz, ganz schlechte Idee: Was wir definitiv mit absoluter Sicherheit wissen, ist dass die Impfung viel sicherer ist als die Krankheit selbst. Wie erwähnt wurden bereits vor Monaten mehrere zehntausend Probanden mit dem Impfstoff geimpft und seit einigen Wochen mehrere hunderttausend Menschen. Dabei ist kein einziger Mensch an dem Impfstoff gestorben oder hat schwere langfristige Folgen davongetragen.

Für die Risikogruppen, die im Momnent schon geimpft werden gilt folgendes: An Covid-19 sterben in der Risikogruppe etwa 10% der Patienten. Wenn der Impfstoff auch nur annähernd so gefährlich wäre, müssten von den weltweit Hunderttausenden bereits geimpften schon einige zehntausend gestorben sein. Das ist offensichtlich nicht der Fall.

Auch wenn Ihr nicht zur Risikogruppe gehört: Insgesamt sterben etwa 0.2-0.4% aller infizierten. Wenn der Impfstoff ähnlich gefährlich wäre müssten von den Zehntausenden gesunden Probanden in Eurem Alter in den klinischen Studien bereits einige Hundert gestorben sein. Auch das ist nicht passiert.

Auch bei den Langzeitfolgen sieht es für den Impfstoff viel besser aus als für die Krankheit: Das RKI stellt fest, dass etwa 40 % der in der Klinik behandelten Patienten längerfristig Unterstützung benötigten. Nach milder COVID-19-Erkrankung ist etwa jeder zehnte länger als vier Wochen betroffen. Im Gegensatz dazu ist in den Monaten, in denen die Studien zu den Impfstoffen laufen, kein einziger Fall von schweren langfristigen Nebenwirkungen aufgetreten.

Zusätzlich zu den persönlichen Risiken, stellt jeder infizierte natürlich auch eine große Gefahr für seine Mitmenschen dar. Insbesondere auch für diejenigen, die sich aufgrund von Gesundheitlichen Problemen (z.B. Säuglinge, Menschen nach Organtransplantation etc.) selbst nicht impfen lassen können. Im Moment ist eine Infektion noch unvermeidlich und niemand sollte sich schuldig fühlen, wenn er oder sie jemanden angesteckt hat - die Infektion konnte ja noch nicht durch eine Impfung verhindert werden. Sobald aber jeder die Möglichkeit hatte sich impfen zu lassen, wäre die eigene Infektion - und damit auch die Ansteckung und der Tod des Mitmenschen durch eine Impfung zu verhindern gewesen.

Gerücht 4: anstatt mich zu impfen kann ich mich doch auch anderweitig vor einer Infektion schützen

Das wird mittelfristig nicht funktionieren. Selbst wenn sich 60-70% der Bevölkerung impfen lässt und so die Pandemie als ganzes stoppt, wird es doch immer wieder regionale und auch großflächigere saisonale Ausbrüche geben. D.h. "sich schützen" ist gleichzusetzen mit "sich für den Rest seines Lebens von der Außenwelt abzuschotten" bzw in einen selbst auferlegten Lockdown zu gehen.

Davon abgesehen finde ich persönlich diese Einstellung nicht sonderlich sozial. Genau genommen sagt man damit nämlich: "Ich möchte mich dem Risiko der Impfung nicht aussetzen und verlasse mich deshalb auf den Schutz durch die Herdenimmunität der anderen, die sich impfen lassen".

Fazit

Ich hoffe, ich konnte Euch das Prinzip der mRNA Impfstoffe einigermaßen verständlich erklären. Meines Erachtens funktioniert das sehr elegant und birgt sogar geringere Risiken als andere Impfstoffe. Das liegt vor Allem daran, dass der Impfstoff sehr schnell und sauber hergestellt werden kann und nur das notwendige Minimum an Inhaltsstoffen enthält. Insbesondere werden keine Adjuvantien verwendet und es gibt keine Überreste aus der Impfstoffproduktion. Die winzigen Kügelchen, in denen die mRNA Verpackt wird, bestehen übrigens aus dem gleichen Material, das auch in vielen handelsüblichen Duschgelen verwendet wird. Das ist also ungefähr so gefährlich wie eine Dusche mit einem kleinen Kratzer in der Haut.

Die mRNA Impfung wird auch sehr schön in diesem Video von Martin Moder erklärt:

Der gesamte Ablauf der Entwicklung der Covid-19 Impfstoffe ist auch sehr detailliert in diesem Video (auf englisch) erklärt: