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Covid-19: Wie wirken die Corona-Impfstoffe?

Welche Impfstoffe sind derzeit in Entwicklung? Wie wirken sie? Was wissen wir über ihre Wirkung und Nebenwirkungen? Ein Überblick.
Frau lässt sich impfenLaden...

Nach Ländern wie den USA, Kanada und Großbritannien haben die Corona-Impfungen nun auch in Deutschland begonnen: Am 26. Dezember 2020 bekam eine 101-jährige Bewohnerin eines Seniorenheims in Sachsen-Anhalt die erste von zwei notwendigen Impfdosen verabreicht. Inzwischen wird in allen Bundesländern geimpft. Besonders gefährdete Personen genießen dabei Vorrang. Wir haben die wichtigsten Fragen und Antworten zu den Impfstoffen, ihrer Entwicklung, Wirksamkeit und den bislang bekannten Nebenwirkungen aufgeschrieben.

Welche Impfstoffe sind zurzeit in der Entwicklung?

Aktuell wird laut Angaben der Weltgesundheitsorganisation WHO an 232 Impfstoffen geforscht. 172 davon befinden sich in der präklinischen Phase. 60 Impfstoffe werden bereits am Menschen getestet, 14 von ihnen in Phase-III-Studien. Vier Impfstoffe sind schon in verschiedenen Ländern zugelassen oder stehen kurz davor. Das russische Vakzin Sputnik V erhielt am 11. August 2020 eine Notfallzulassung in Russland. Ein Impfstoff der Firma Sinopharm bekam im September eine Notfallzulassung in China, am 2. Dezember 2020 folgte Großbritannien mit der Notfallzulassung für BNT162b. Kurz vor Jahresende ließ Großbritannien zudem auch den Impfstoff AZD1222 der Universität Oxford und des Pharmakonzerns Astrazeneca zu.

Inzwischen hat auch die EU über die Zulassung des Impfstoffs BNT162b der Firmen BioNTech und Pfizer schneller als üblich entschieden. Die Europäische Arzneimittelagentur hat nach Durchsicht der Daten und einer Nutzen-Risiko-Analyse ihre Empfehlung am 21. Dezember erteilt, die EU-Kommission folgte dem Vorschlag noch am selben Tagen. Sie genehmigte eine »bedingte Marktzulassung«, die für ein Jahr gilt und eine eingehendere Prüfung erfordert als die »befristete Notfallzulassung«, welche die zuständigen britischen Behörden jetzt erteilten. Die Impfungen haben inzwischen in vielen europäischen Ländern – inklusive Deutschland – begonnen.

Lesen Sie hier ausführlich, wie die EU Impfstoffe prüft und zulässt.

Bei der Impfstoff-Entwicklung werden sehr unterschiedliche Wege beschritten. Lebendimpfstoffe, die abgeschwächte Viren enthalten, haben sich bei seit Langem bekannten Infektionskrankheiten wie Mumps, Masern und Röteln bewährt. Bisher untersuchen nur drei Forscherteams Lebendimpfstoffe zum Schutz vor Sars-Cov-2. Alle befinden sich noch in der experimentellen Phase, werden also noch nicht am Menschen getestet. Für die Zurückhaltung mag es mehrere Gründe geben. Lebendimpfstoffe lassen sich nicht bei immungeschwächten Personen anwenden. Und: Wie genau es im Einzelnen zu den – vor allem so unterschiedlich ausgeprägten – Symptomen von Covid-19 kommt, ist noch relativ unverstanden. Die Sorge, dass Lebendimpfstoffe Virusbestandteile enthalten, die sich ungünstig auswirken und statt neutralisierender Antikörper auch Prozesse anstoßen würden, die das Immunsystem zusätzlich aufheizen, ist wohl vorhanden.

Wie tödlich ist das Coronavirus? Was ist über die Fälle in Deutschland bekannt? Wie kann ich mich vor Sars-CoV-2 schützen? Diese Fragen und mehr beantworten wir in unserer FAQ. Mehr zum Thema lesen Sie auf unserer Schwerpunktseite »Ein neues Coronavirus verändert die Welt«. Die weltweite Berichterstattung von »Scientific American«, »Spektrum der Wissenschaft« und anderen internationalen Ausgaben haben wir zudem auf einer Seite zusammengefasst.

Einige Forscherinnen und Forscher arbeiten mit abgetöteten Coronaviren oder verwenden einzelne Molekülbestandteile des Virus, die rekombinant, also gentechnisch, hergestellt werden – eine Herangehensweise, die zum Beispiel von der Hepatitis-B- oder HPV-Impfung bekannt ist. Andere programmieren harmlose Viren (wie etwa Adenoviren) genetisch um, so dass diese einen Baustein von Sars-CoV-2 tragen, etwa das Spike-Protein, gegen den durch die Impfung eine Immunantwort ausgelöst werden soll. Vektor-Impfstoffe lösen eine gute Antikörperantwort und auf das Virus zugeschnittene Immunzellen (T-Zellantwort) aus. Wissenschaftler vom Paul-Ehrlich-Institut in Langen nutzen als »Überbringer« des Spike-Proteins ein verändertes Masernvirus. Im Tierversuch führte dieser Impfstoff zur Produktion von Antikörpern und rief zudem die T-Zellen auf den Plan.

Außerdem wird an diversen DNA- und RNA-Impfstoffen geforscht, die nicht das Impfprotein, sondern lediglich die genetische Information dafür enthalten.

Dass so schnell nach Beginn der Pandemie Impfstoffe bereitstehen, hat unter anderem zwei Ursachen: Teilweise konnte auf Erkenntnissen aufgebaut werden, die man bei den Sars- und Mers-Ausbrüchen 2003 beziehungsweise 2012 gewonnen hatte. Außerdem verwenden einige Impfstoffe eine Art Grundmodell, das in anderen Zusammenhängen bereits vorher klinisch erprobt worden ist. Je nach Anforderung lassen sich in diese Grundmodelle verschiedene »Impfmodule« einbauen – also die Proteine eines Virus, gegen das eine Immunantwort ausgelöst werden soll.

Wie wirken sie?

Alle Impfungen wirken nach dem gleichen Grundprinzip. Durch die Impfung mit Viren beziehungsweise Virusbestandteilen wird das Immunsystem auf die fremden Moleküle aufmerksam. Eine Infektion wird vorgetäuscht, Antikörper und gegen das Virus gerichtete T-Zellen werden aktiviert, und im günstigen Fall wird ein immunologisches Gedächtnis angelegt, das die Geimpften über Jahre bis Jahrzehnte vor einer Infektion mit dem Krankheitserreger schützt.

Einer der bisher am weitesten in Richtung Zulassung vorgedrungenen Impfstoffe (zurzeit in Phase III der klinischen Prüfung), CoronaVac (Sinovac), enthält inaktivierte Viren und als Wirkverstärker Aluminiumhydroxid. Im Gegensatz zu abgeschwächten Lebendimpfstoffen haben es abgetötete Viren oder einzelne Virusproteine häufig schwer, das Immunsystem in Aufruhr zu versetzen und einen bleibenden Eindruck zu hinterlassen. Diesen Impfstoffen werden meist Wirkverstärker (Adjuvanzien) beigemengt, die vor allem Abwehrzellen der ersten Verteidigungslinie aktivieren. CoronaVac wurde in den Tests bisher gut vertragen, nach einer zweifachen Impfung bildeten 90 Prozent der Studienteilnehmer Antikörper gegen das neue Coronavirus.

Schon recht schnell nach der Identifizierung von Sars-CoV-2 entdeckte man, dass sich das Virus über sein Spike-Protein an den Rezeptor ACE2 anlagert und sich so Zugang zu den menschlichen Körperzellen verschafft. Gelingt es, eine Antikörperantwort gegen das Spike-Protein und hier besonders gegen den Bereich, der für die Anlagerung an das ACE2 zuständig ist, auszulösen, kann eine Infektion der Zellen blockiert werden.

Das A und O bei der Entwicklung eines Impfstoffes ist, eine Balance zu finden zwischen der Aktivierung der Immunantwort und den dadurch ausgelösten Symptomen

Das A und O bei der Entwicklung eines Impfstoffes ist, eine Balance zu finden zwischen der Aktivierung der Immunantwort und den dadurch ausgelösten Symptomen. Diese darf natürlich nicht so schwer sein, dass die Geimpften quasi schon an der Impfung erkranken. Typische Zeichen einer Impfreaktion – dafür, dass die Immunabwehr in Gang kommt, Botenstoffe wie Interferon und so weiter ausschüttet – sind Schwellungen, Rötungen an der Einstichstelle, Fieber, Müdigkeit, Gliederschmerzen. Eine Impfreaktion verschwindet in der Regel nach ein bis zwei Tagen wieder.

Alle bisher in Phase III der klinischen Prüfung befindlichen Impfstoffe werden intramuskulär verabreicht. Der Nachteil: Zwar werden meist hohe IgG-Spiegel gegen das Virus ausgelöst, Schleimhaut-Antikörper, IgA-Antikörper, dagegen nicht. Auch IgG kann in geringem Umfang über den Vorgang der Transzytose auf die Schleimhäute gelangen. Meist reicht jedoch die Menge, die ankommt, nicht aus, um einen Krankheitserreger, der über die Schleimhäute der Atemwege im Anzug ist, komplett zu neutralisieren. IgA-Antikörper verhindern dagegen eine Infektion über die Schleimhäute. Sie werden nur dann gebildet, wenn die Infektion oder eben Impfung ebenfalls über die Schleimhäute erfolgt. Ein intranasaler Impfstoff gegen Sars-CoV-2 wird derzeit in Phase-II-Studien erprobt.

Was ist das Besondere an den RNA-Impfstoffen?

RNA-Impfstoffe enthalten keine Virusmoleküle selbst, sondern so genannte Boten-RNA (mRNA), welche die Bauanleitung für das Spike-Protein von Sars-CoV-2 an die Proteinfabriken der Zellen (die Ribosomen) übermittelt. Damit das gelingen kann, muss die in den Muskel injizierte mRNA zuerst einmal in die Körperzellen hineingelangen. Das gelingt über die Verpackung in kleine Fettkügelchen, Lipidnanopartikel, welche die empfindliche RNA nicht nur in die Zelle schleusen, sondern auch davor schützen, vorzeitig von Enzymen, die überall im Körper vorkommen, abgebaut zu werden.

Normalerweise merkt eine Zelle sofort, wenn RNA auftaucht, die nicht aus der eigenen zellulären Produktionsmaschinerie kommt (eigentlich wird die mRNA im Zellkern gebildet und trägt die Informationen für die Proteinproduktion von dort zu den Proteinfabriken). Bei Anwesenheit fremder RNA schrillen daher zelluläre Alarmglocken, die den raschen Abbau der Nukleinsäure einleiten. Die mRNA, die im Impfstoff enthalten ist, wurde leicht modifiziert, so dass sie so gut wie unsichtbar für die zellulären »Aufpasser« bleibt und eine Weile abgelesen – also in Proteine umgesetzt – werden kann.

Im Experiment an Mäusen erreicht die Proteinproduktion vier Stunden nach der Injektion von mRNA in den Muskel ihren Höhepunkt, hielt aber insgesamt bis zu zehn Tage an. Dabei begannen nicht nur die Körperzellen in der Umgebung der Einstichstelle mit der Herstellung des Proteins. Die Lipidnanopartikel verteilten sich im ganzen Organismus, zum Beispiel auch in der Leber, wo das Protein zwei Tage lang hergestellt wurde.

RNA-Impfstoffe sind relativ neu. Im Gegensatz zu klassischen Vakzinen lassen sie sich schnell und relativ kostengünstig herstellen. In der klinischen Erprobung sind bisher RNA-Impfstoffe gegen das Tollwut-Virus und solche zur Therapie von Krebserkrankungen. Zugelassen war bisher kein RNA-Impfstoff, es besteht also keine klinische Erfahrung damit.

Was wissen wir über die Wirkung und Schutzdauer?

In ersten Zwischenergebnissen vermeldeten BioNTech und Pfizer (BNT162b) sowie Moderna (mRNA-1273) eine sehr hohe Wirksamkeit ihrer beiden RNA-Impfstoffe. Im Phase-III-Test mit 43 0000 beziehungsweise 30 000 Studienteilnehmern waren bisher 170 beziehungsweise 95 Covid-19 Fälle aufgetreten, 162 (90) in der Placebo-, 8 (5) in der Gruppe der Geimpften. Die Firmen geben daher eine Wirksamkeit von 95 beziehungsweise 94 Prozent an. In Vorversuchen hatte der Impfstoff spätestens nach der zweiten Impfung eine gute Antikörperantwort ausgelöst, Moderna hatte zudem eine T-Zellaktivierung nachweisen können.

Man muss davon ausgehen, dass der starke Unterschied bei den Erkrankungszahlen zwischen Placebo- und Impfgruppe auf die spezifische Immunantwort, also etwa auf die gegen das Virus gebildeten Antikörper zurückgeht. Allerdings stammen die Zahlen aus der Phase unmittelbar nach den beiden Impfungen, daher wäre auch denkbar, dass die Wirkung auf einer allgemeinen Aktivierung der angeborenen Immunabwehr beruht. »Wenn man die Schutzwirkung sehr früh nach einer Impfung prüft, kann man im Einzelfall nicht sagen, ob dieser Effekt auf Grund der spezifischen Immunisierung erfolgte – die dann in der Regel einen längeren Schutz zur Folge hat – oder auf Grund einer unspezifischen Immunstimulation, deren Wirkung dann meist bald abnimmt«, sagte der Epidemiologe Gérard Krause vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig Ende November dem »Science Media Center«.

»Möglicherweise könnten RNA-Impfstoffe besonders bei Älteren zum Einsatz kommen, wo es gilt, eine schwere Covid-19-Erkrankung zu verhindern«
(Arne Kroidl, Infektiologe und Experte für Impfstudien)

In einer aktuellen Publikation von Anfang Dezember berichten Wissenschaftler der US-amerikanischen »mRNA-1273 Study Group«, dass die Schutzdauer nach der Impfung mindestens drei Monate anhalte. Die Forscherinnen hatten 34 Studienteilnehmer unterschiedlichen Alters bis 90 Tage nach der zweiten Impfung beobachtet und die Antikörper-Spiegel gegen Sars-CoV-2 gemessen. Bei allen war ein leichtes Absinken mit der Zeit zu beobachten, doch selbst bei den über 70-Jährigen waren die Antikörper-Titer noch ein Vierteljahr später auf hohem Niveau. Dafür, dass tatsächlich ein langlebiges Immungedächtnis ausgebildet wird, sprechen auch Daten von Michaela Locci und anderen Forschern der University of Philadelphia. Die mRNA-Impfstoffe hinterließen in den Keimzentren der langlebigen Immunantwort in den Lymphknoten im Experiment an Mäusen sogar eine deutlichere »Spur« als ein Sars-CoV-2-Impfstoff, der ein rekombinant hergestelltes Virusprotein plus Wirkverstärker enthält.

Was ist bislang über mögliche Nebenwirkungen bekannt?

Laut Pressemitteilungen der beiden Herstellerfirmen seien bisher nur leichte und keine schweren Nebenwirkungen nach den Impfungen aufgetreten. Detaillierte Angaben über die Impfreaktionen der Teilnehmer auf die RNA-Impfung mit BTN162b bietet eine Studie, die im Oktober im »New England Journal of Medicine« veröffentlicht wurde. Danach hatten beispielsweise in der Altersgruppe der 18- bis 55-Jährigen 17 Prozent auf die zweite Impfung mit Fieber, 75 Prozent mit Erschöpfung und 58 Prozent mit Schüttelfrost reagiert. In der Gruppe der Älteren (65 bis 85 Jahre) fielen diese vorübergehenden Symptome – die Anzeichen dafür, dass eine Immunantwort in Gang kommt – etwas schwächer aus. Am 10. Dezember veröffentlichten auch die Forscherinnen und Forscher der klinischen Studiengruppe zu BTN162b detaillierte Daten zu Wirksamkeit und Sicherheit des Impfstoffs.

Dass die Impfreaktion auf RNA keineswegs trivial ist, schreibt auch die Wissenschaftsjournalistin Meredith Wadman. Wadman schildert den Fall eines 43-jährigen Bioinformatikers, der an der klinischen Studie von Modernas Covid-19-Impfstoff teilgenommen hat. Nach der zweiten Impfung sei sein Arm an der Einstichstelle extrem angeschwollen. Innerhalb weniger Stunden bekam er Knochen- und Muskelschmerzen, Schüttelfrost und 38,9 Grad Fieber. Nach zwölf Stunden war alles vorbei. Der Mann kritisiert, dass niemand ihn vorher auf die Schwere der Impfreaktion vorbereitet habe. Welche langfristigen Wirkungen und Nebenwirkungen die RNA-Impfungen gegen Sars-CoV-2 haben, weiß man noch nicht.

An Kindern unter zwölf Jahren sind die RNA-Impfstoffe bisher nicht getestet worden. Arne Kroidl, Infektiologe und Experte für Impfstudien am Institut für Tropenmedizin der Ludwig-Maximilians-Universität in München, geht davon aus, dass es zukünftig für verschiedene Bevölkerungsgruppen verschiedene Impfstoffe geben könnte. »Möglicherweise könnten RNA-Impfstoffe besonders bei Älteren zum Einsatz kommen, wo es gilt, eine schwere Covid-19-Erkrankung zu verhindern.« Bei Kindern hingegen, wo es hauptsächlich darum gehe, eine Ausbreitung des Virus zu stoppen, könnten Konzepte, die schon lange in der Klinik erprobt sind, wie etwa Protein- oder Vektorimpfstoffe, eine gute Alternative sein.

Wie werden die Impfstoffe über lange Zeit beobachtet?

Am 6. November veröffentlichte das Bundesministerium für Gesundheit ein Papier über die »Strategie zur Einführung und Evaluierung einer Impfung gegen Sars-CoV-2 in Deutschland«. Darin geht es unter anderem um die Überwachung der Wirksamkeit und Sicherheit der Impfstoffe, so sie denn eingeführt sind. Auf Grund der beschleunigten Entwicklung und der begrenzten Beobachtungsdauer in den Studien sei eine kontinuierliche Überwachung und Erfassung weiterer Daten im Rahmen der breiten Anwendung erforderlich, um weitere potenzielle Risiken der Impfstoffe schnellstmöglich zu erfassen, heißt es. Zuständig für diese Herkulesaufgabe sind das RKI, das Paul-Ehrlich-Institut, die Europäische Arzneimittelagentur und die Herstellerfirmen.

Wie soll das praktisch ablaufen? »Die WHO fordert dazu auf, die Phase-III-Studien so lange wie möglich verblindet zu halten«, sagt Arne Kroidl, der Prüfleiter der CureVac-Studie, der klinischen Testung eines weiteren RNA-Impfstoffes. Nur so könnte man sicher herausbekommen, wie wirksam die neuen Impfstoffe auch nach sieben, acht oder neun Monaten seien, ob und wenn ja, welche Langzeitnebenwirkungen auftreten.

Werden zukünftig Infektionsfälle an das RKI gemeldet, sollen zusätzliche Informationen über den Impfstaus mitgeliefert und dadurch so genannte »Impfdurchbrüche« (man erkrankt oder ist infiziert, obwohl man geimpft ist) rasch erkannt werden. Unter anderem mit Hilfe einer Smartphone-App sollen zudem Nebenwirkungen und Impfkomplikationen erfasst werden. Außerdem sollen Kontrollstudien im Krankenhaus darüber Auskunft geben, ob Menschen, die an Covid-19 erkranken, obwohl sie geimpft worden sind, einen milderen Verlauf erleben.

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