Ferritin ist ein im Menschen natürlich und häufig vorkommendes Protein, das Eisen enthält. Für die Impfstoff-Forschung ist das Nano-Eiweiß vor allem deswegen interessant, weil es sich von selbst zu einer Kugel formt. So kann es durch seine Struktur verschiedene Antigene präsentieren, also Eiweiße, die beispielsweise von Viren stammen. Werden diese Ferritin-Nanopartikel mit den Vireneiweißen und einem Wirkungsverstärker dann gespritzt, bildet das Immunsystem Antikörper und T-Zellen gegen das Antigen. Im Grunde handelt es sich dabei um einen ähnlichen Ansatz wie der der Firma Novavax, deren rekombinanter Protein-Impfstoff demnächst in Europa zugelassen werden soll.

Forscher der US-Armee haben dieses Prinzip nun mit einem Impfstoffkandidaten gegen SARS-CoV-2 erfolgreich an Rhesus-Affen getestet. Die Impfung habe starke neutralisierende Antikörper gegen das ursprüngliche Wuhan-Virus und die vier besorgniserregenden Varianten Alpha, Beta, Gamma und Delta ausgelöst und sei sogar gegen das SARS-1 Virus wirksam gewesen, schreiben sie im Fachmagazin Science Translational Medicine.

Für ihren Spikeprotein-Ferritin-Nanopartikel-Impfstoff (SpFN) modifizierte das Team um M. Gordon Joyce das Spikeprotein des ursprünglichen Wuhan-Wildtyps. Unter anderem entfernten sie die Furinspaltstelle, die die beschleunigte Spaltung des Spikes im Körper begünstigt. Das ist für das Virus beim Zelleintritt vorteilhaft, aber schlecht für einen Impfstoff, der das Immunsystem gegen das Eiweiß trainieren soll.

Die veränderten Spikeproteine wurden mit den selbstorganisierenden Ferritin-Nanopartikeln und dem Wirkstoffverstärker (Adjuvanz) ALFQ kombiniert. Nun testeten die Wissenschaftler den Impfstoff jeweils in 5 und in 50 Mikrogramm Dosierungen, mit einer oder zwei Impfdosen im Abstand von vier Wochen an insgesamt 32 Rhesusäffchen. Die Versuchstiere wurden anschließend hohen Mengen echter SARS-2-Viren ausgesetzt. Rhesusaffen erkranken im Gegensatz zu Menschen nicht schwer an dem Virus, trotzdem sei die immunologische Reaktion vergleichbar, schreiben die Autoren.

Modell eines Ferritin-Proteins. Ferritin ordnet sich von selbst kugelförmig an. Bildrechte: imago/Science Photo Library

Bei den Tieren, die zwei Dosen mit jeweils 50 Mikrogramm Impfstoff erhalten hatten, konnten die Forscher schon zwei Tage nach der Konfrontation mit lebenden Viren kein Viruserbgut mehr in den unteren Atemwegen nachweisen. Auch in den oberen Atemwegen war das Virus spätestens nach vier Tagen völlig verschwunden. Bei den ungeimpften Kontrolltieren dagegen war es noch 10 Tage nach der Konfrontation nachweisbar.

Bei Neutralisationstests zeigte sich bei den geimpften Tieren eine sehr hohe neutralisierende Aktivität. Das Serum von zweifach mit 50 Mikrogramm Impfstoff geimpften Tieren sei zehn Mal effektiver gewesen als das Serum genesener Menschen nach einer Covid-19. Zudem zeigte sich eine neutralisierende Wirkung auch gegen die Alpha-, Beta-, Gamma- und Deltavariante und sogar gegen das SARS-1-Virus, das sich von seinem Nachfolger SARS-2 deutlich unterscheidet.

Die Forscher schließen daher, dass ihr Impfstoff eine breite Wirksamkeit gegen Coronaviren entfalten könne, die es den Viren deutlich schwieriger mache, der aufgebauten Immunität durch Mutationen auszuweichen. Grund dafür könne sein, dass der Impfstoff derart hohe Mengen neutralisierender Antikörper auslöse, dass auch mutierte Viren noch neutralisiert würden. Außerdem sei schon in vorangegangenen Arbeiten gezeigt worden, dass die Präsentation von Antigenen auf Ferritin-Nanopartikel zu einer größeren Diversität der B-Zellen führe, die für die Produktion der Antikörper zuständig sind. Möglicherweise sei aber auch das Adjuvanz ALFQ entscheidend, das eine starke CD4-T-Zellantwort auslöse. Das sollen weitere Tests zeigen.

Die Autoren schränken die Aussagen in ihrer Studie allerdings in einigen Aspekten ein. Zum einen seien Werte etwa von den Seren Genesener nicht standardisiert, Vergleiche daher schwierig. Die neutralisierende Aktivität einzelner Serumproben könne stark voneinander abweichen. Außerdem seien die Versuchstiere nur mit dem ursprünglichen Wuhan-Virus konfrontiert worden, da die Virusvarianten zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt gewesen seien. Die Tests mit den auftauchenden Varianten hätten daher nur in Neutralisations-Assays durchgeführt werden können, so die Forscher.

Die nächsten Entwicklungsschritte des Impfstoffkandidaten laufen bereits. Das US-Militär hat mit einer klinischen Phase-1-Studie begonnen. Hier wird unter anderem getestet, welche Dosis die richtige Immunreaktion bei Menschen auslöst und ob der Impfstoff verträglich ist.

Das Potenzial von Ferritin-Nanopartikel-Spikeprotein-Impfstoffen (SpFN) haben auch viele andere Forschungsgruppen erkannt. Eine Möglichkeit könnte dabei sein, die Nanopartikel mit verschiedenen Antigenen zu bestücken. So könnte ein Impfstoff nicht nur das Spikeprotein einer, sondern von vielen Coronavarianten beinhalten. Auch zu Ferritin-Impfstoffen gegen Influenza (Grippe) gibt es bereits klinische Studien.

• M.G.Joyce et.al.: A SARS-CoV-2 ferritin nanoparticle vaccine elicits protective immune responses in nonhuman primates, Science Translational Medicine