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Decoded: Wie funktionieren Impfstoffe?

Impfstoffe schützen vor Corona und anderen Erregern. Wie machen sie den Körper gegen Viren fit? Und wie unterscheiden sich mRNA-Impfstoffe von anderen Vakzinen? Antworten liefert der erste Teil unserer neuen Videoserie »Decoded«.
Impfstoffe Decoded

Impfstoffe befähigen den Körper, sich gegen eine Krankheit zu schützen. Dazu werden sie gesunden Menschen verabreicht, und zwar sehr vielen auf einmal. Um auch seltene Risiken zu entdecken, müssen sie umfassend getestet werden.

Impfstoffe spielen dem Körper eine Infektion vor. Es ist zwar keine echte Infektion. Trotzdem lernt das Immunsystem, später einmal ganz ähnliche Krankheitserreger zu erkennen und zu neutralisieren. Es hindert sie dann an der Vermehrung. Die Gefahr ist gebannt. Nach diesem Prinzip wurden schon Dutzende von Impfstoffen entwickelt.

Was genau ist ein Virus? Wie lernen Maschinen? Und was passiert in einem Schwarzen Loch? In der Videoserie »Decoded« von »Scientific American« und »Spektrum der Wissenschaft« entschlüsseln wir grundlegende Fragen aus Forschung und Wissenschaft.

See the English-language version at »Scientific American«.

Seit Jahrhunderten lassen sich Menschen immunisieren. Zunächst in Indien und China. Im frühen 17. Jahrhundert gab man dort den Kindern winzige Mengen eines Sekrets, das Pockenviren enthielt. Man nennt das »Variolation«. Das endete zwar in zwei bis drei Prozent der Fälle tödlich. Aber wer überlebte, war immun gegen eine Krankheit, die jeden dritten Infizierten tötete. 1717 führte Lady Mary Montagu das Verfahren in England ein. Die Frau des britischen Botschafters im Osmanischen Reich übernahm es von einheimischen Ärzten und immunisierte ihre eigenen Kinder.

© Scientific American/Spektrum der Wissenschaft
Wie funktionieren Impfstoffe?
Impfstoffe schützen vor Corona und anderen Erregern. Wie machen sie den Körper gegen Viren fit? Und wie unterscheiden sich mRNA-Impfstoffe von anderen Vakzinen? Das Video liefert Antworten.

Jahrzehnte später erfuhr der Arzt Edward Jenner von einem noch besseren Schutz. Molkereiarbeiter, die sich einmal mit Kuhpocken infiziert hatten, erkrankten nicht mehr an den Pocken. Kuhpocken sind für den Menschen deutlich weniger gefährlich. Jenner spritzte einem achtjährigen Jungen eine Substanz, die er aus der Kuhpockenpustel einer Melkerin gekratzt hatte. Es funktionierte – zum Glück.

Wenn das Immunsystem ein Virus erkennt, bildet es Antikörper. Die hindern das Virus daran, sich an gesunde Zellen zu heften. Dadurch kann es sich nicht vermehren. Weil Pockenviren miteinander verwandt sind und ähnliche Bindungsproteine besitzen, schützen die Kuhpocken-Antikörper auch gegen eine Infektion mit den normalen Pocken.

Die Infektion mit den Kuhpocken verlief zwar meist harmlos. Doch inzwischen nutzt man lieber Impfstoffe, die die Krankheit erst gar nicht auslösen. Zum Beispiel gegen Grippeviren. In den 1930er Jahren fand man heraus, dass eine Formaldehydlösung die Viren inaktiviert. Spritzt man die inaktivierten Viruspartikel einem Menschen, entwickelt er einen Schutz vor der Grippe.

Nun fehlte nur noch eine praktikable Methode zur Impfstoffherstellung: Man musste sehr viele Viruspartikel erzeugen und sie dann inaktivieren können. Fündig wurden Forscher bei befruchteten Hühnereiern: In ihnen vermehren sich die Viren extrem schnell. Die ersten Grippeimpfstoffe kamen in den 1940er Jahren auf den Markt. Noch heute werden etwa 80 Prozent der Grippeimpfstoffe aus Hühnereiern hergestellt. Aus Hunderten von Millionen Eiern. Welche Betriebe die Eier dafür liefern, ist ein Geheimnis, zum Schutz vor Sabotage.

Auch mit lebenden Viren kann man Impfstoffe herstellen. Man muss sie nur so stark abschwächen, dass sie nicht mehr krank machen. Alternativ eignen sich Virusteile oder spezielle Partikel, die den Krankheitserregern ähneln.

Die neueste Strategie zur Virenabwehr ist die messenger-RNA. Sie kam zum ersten Mal zum Einsatz im Kampf gegen Sars-CoV-2, also dem Coronavirus. Dazu müssen Fachleute zunächst das Erbgut des Virus entziffern: Wie lautet die genetische Bauanleitung für den Teil des Virus, der sich an gesunde Zellen heftet? Bei Sars-CoV-2 sind das die Spike-Proteine an seiner Oberfläche.

Danach kopieren und verpacken die Wissenschaftler diese Bauanleitung und impfen sie gesunden Freiwilligen. Die Zellen in ihrem Körper beginnen, anhand der Bauanleitung eigene Spike-Proteine herzustellen. Sobald das Immunsystem die Spike-Proteine bemerkt, bildet es Antikörper dagegen aus.

mRNA-Impfstoffe funktionierten lange nicht gut. Der Körper zerstört künstliche mRNA, manchmal noch bevor sie die Zellen erreicht. Es brauchte bessere Techniken und vor allem Schutzenzyme an den Bauplänen, um dieses Problem zu lösen. Nun lassen sich neue Impfstoffe vergleichsweise schnell herstellen. Im Fall von Sars-CoV-2 veränderten die Impfstoffhersteller außerdem die mRNA. Sie liefert eine sehr stabile Version des Spike-Proteins. Eine, die vom Immunsystem leichter erkannt wird als die ursprüngliche Version, bei der das Protein seltsam wackelte.

Im Januar 2020 wurde das Genom des Coronavirus veröffentlicht. Eine Woche später gab es die RNA für den Impfstoff. Und die ersten klinischen Tests begannen im März.

Impfstoffe machen nicht jeden Menschen immun gegen Krankheiten. Entscheidend ist jedoch, dass sie eine Bevölkerung als Ganzes schützen. Der Schlüssel zu einem erfolgreichen Impfprogramm liegt darin, genügend Menschen zu immunisieren, um eine so genannte »Herdenimmunität« zu erreichen. Dann findet das Virus immer seltener einen Menschen, den es infizieren kann. Bis die Krankheit im Idealfall völlig ausgerottet ist. Solange es einige Krankheitsfälle gibt, besteht weiterhin ein Risiko.

Seit Jahrhunderten entwickelt die Menschheit Impfungen. Nie standen sie so im Fokus wie heute.

Sars-CoV-2 zeigte, wie schnell sich Krankheitserreger in einer globalisierten Welt ausbreiten. Ist die Menschheit der Herausforderung gewachsen? Kann sie eine Herdenimmunität erreichen? Oder wird das Virus dauerhaft Probleme bereiten? Es geht dabei nicht nur um Covid-19, sondern auch darum, effiziente Strategien gegen zukünftige Seuchen zu entwickeln. Denn dass wieder einmal ein pandemischer Erreger auftreten wird, ist mehr als wahrscheinlich.

Impfstoffe sichern das Wohlergehen der Gesellschaft – und jetzt und in Zukunft vielleicht auch unser Überleben.

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