DNA-Impfstoff

Datei:201907 PlasmidDNA S.svg

Schematische Darstellung eines Plasmids

DNA-Impfstoffe ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}) bezeichnen Impfstoffe, die anstatt eines Proteins eines Krankheitserregers ausschließlich die DNA-Teile aus seinem Genom verwenden, welche die genetische Information für ein oder mehrere Proteine enthalten, die anschließend dem Immunsystem als Antigene dienen und eine Immunantwort hervorrufen.<ref name="Neuer WHO-Leitfaden zu modernen DNA-Impfstoffen">Paul-Ehrlich-Institut: Neuer WHO-Leitfaden zu modernen DNA-Impfstoffen. Auf: pei.de vom 9. Juli 2020; zuletzt abgerufen am 19. Januar 2021.</ref> Daher gehören DNA-Impfstoffe zu den genetischen Impfstoffen. Die DNA selbst wird nicht vom Immunsystem als Antigen erkannt, sondern über mehrere Schritte in ein Protein übersetzt. Die DNA wird nach kurzer Zeit in der Zelle durch Nukleasen abgebaut. Diese Art der Impfung wird DNA-Impfung oder auch DNA-Vakzinierung genannt.<ref name=":0">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Der weltweit erste DNA-Impfstoff war gegen das West-Nil-Virus gerichtet und wurde 2005 in den USA für Pferde zugelassen.<ref name="scienced-Veterina">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> ZyCov-D war 2021 der weltweit erste für den Menschen zugelassene DNA-Impfstoff.<ref>Manavi Kapur: What we know about ZyCoV-D, the world's first DNA Covid vaccine. In: MSN vom 23. August 2021.</ref>

Prinzip

Datei:Making of a DNA vaccine.jpg

Schematische Herstellung eines DNA-Impfstoffs

Datei:Pore schematic.svg

Modell einer Pore in einer Doppellipidschicht

Der Träger für die genetische Information des Antigens ist in der Regel ein ringförmiges DNA-Molekül (Plasmid), das in ungefährlichen Bakterien unter kontrollierten Bedingungen hergestellt wird.<ref name="Neuer WHO-Leitfaden zu modernen DNA-Impfstoffen" /> Die DNA wird meistens mit einem Transfektionsreagenz versehen. Üblicherweise wird als Transfektionsreagenz ein basisches Lipid verwendet, das der DNA ermöglicht, per Endozytose in eine Zelle aufgenommen zu werden<ref>Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung - Reinhard Lipowsky, Jaime Agudo-Canalejo: Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Membranen und Vesikeln. - Forschungsbericht 2016, doi:10.17617/1.5G Auf: mpg.de von 2016; zuletzt abgerufen am 20. Januar 2021.</ref> und die Membran des Endosom zu durchdringen und dieses somit zu verlassen. Die DNA liegt mit dem Lipid in Form flüssiger Nanopartikel vor (kationische Liposomen).<ref name="Welche Impfstoffkonzepte werden bei der Entwicklung eines Impfstoffs gegen SARS-CoV-2 verfolgt?">Paul-Ehrlich-Institut: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20210129004722

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  }} Auf: pei.de vom 3. April 2020; zuletzt abgerufen am 19. Januar 2021.</ref><ref>Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik: Die Rettung naht- mRNA-basierte Impfstoffe gegen das neuartige Coronavirus sind vielversprechend, aber schwierig herzustellen. Lässt sich ihre Produktion durch neue Verfahren beschleunigen? Abschnitt "Molekulare Schützenhilfe" Auf: ipk.fraunhofer.de von 2021, zuletzt abgerufen am 19. Januar 2021.</ref>

Die DNA wird in den Zellkern importiert, wo die Transkription stattfindet, dem ersten Schritt der Genexpression. Dabei wird die DNA in mRNA umgeschrieben. Die mRNA wird aus dem Zellkern ins Zytosol ausgeschleust. Die Übersetzung der mRNA in ein Protein (das als Antigen wirkt) wird als Translation bezeichnet und findet im Zytosol an Ribosomen statt. Das entstandene Erregerprotein wird anschließend am Proteasom zu Peptiden proteolysiert, welche an MHC I und in geringem Umfang auch an MHC II präsentiert werden. Dadurch entsteht sowohl eine zelluläre als auch eine humorale Immunantwort. Membranproteine werden (zusätzlich zur MHC-Präsentation der Peptide) an der Zelloberfläche präsentiert. Durch diesen Vorgang wird auf zellulärer Ebene eine symptomfreie Infektion im Wirtskörper simuliert, die eine Immunantwort auslöst. Zudem können Sequenzen pro-inflammatorischer Zytokine (z. B. IL-2 oder GM-CSF) in die Plasmide eingebaut werden bzw. in einem zusätzlichen Plasmid enthalten sein, welche dann exprimiert werden.<ref name=":0" /><ref name=":3">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Dies verbessert den Effekt der Immunisierung.<ref name=":3" />

DNA-Impfstoffe können unter anderem intramuskulär injiziert oder bioballistisch (per Genkanone) verabreicht werden. Für DNA-Impfungen werden nadelfreie Injektionssysteme entwickelt: Dabei wird die DNA an Goldpartikel gebunden und in den Muskel durch eine Impfpistole injiziert.<ref name=":0" /> Bei der Injektion in das Muskelgewebe konnte eine höhere Expressionsrate als in anderen Gewebetypen festgestellt werden. Es wird vermutet, dass die Struktur der Muskelzellen dabei eine Rolle spielt.<ref name=":2">{{#if:2020-10-26|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20201026134902/https://www.naturwissenschaften-verstehen.de/immunbiologie-1/Impfstoffe%7C{{#if:Impfstoffe%7C[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20201026134902/https://www.naturwissenschaften-verstehen.de/immunbiologie-1/Impfstoffe}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Impfstoffe}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:auf: Naturwissenschaften-verstehen.de – Biologie für Schule, Studium und Ausbildung – verständlich erklärt| auf: Naturwissenschaften-verstehen.de – Biologie für Schule, Studium und Ausbildung – verständlich erklärt{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel=auf: Naturwissenschaften-verstehen.de – Biologie für Schule, Studium und Ausbildung – verständlich erklärt}}}}}}|{{#if:https://www.naturwissenschaften-verstehen.de/immunbiologie-1/Impfstoffe%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7Cja}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Impfstoffe}}}}%7C[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.naturwissenschaften-verstehen.de/immunbiologie-1/Impfstoffe}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Impfstoffe}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:auf: Naturwissenschaften-verstehen.de – Biologie für Schule, Studium und Ausbildung – verständlich erklärtjahttps://web.archive.org/web/20201026134902/https://www.naturwissenschaften-verstehen.de/immunbiologie-1/Impfstoffe{{#if: 2020-05-20 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Verwendung

Die ersten DNA-Impfstoffe wurden an HIV-positiven Patienten getestet, weitere Tests fanden an Gesunden statt, um Impfstoffe gegen HIV zu testen. Obschon die Immunantwort im Menschen eher schwach ausfällt, zeigte sich in Verwendung mit rekombinanten Vektoren und Hilfsstoffen eine Schutzwirkung in Primaten.

Neben HIV-Impfstoffen wird auch verstärkt nach Influenza-Impfstoffen geforscht. 2002 stellten Forscher die Vermutung auf, dass DNA-Impfungen eine erste Maßnahme gegen Influenza-A/H5N1-Stämme mit hoher Letalität bilden könnten, stellten jedoch auch fest, dass die DNA-Impfung allein nur einen sehr beschränkten Schutz gegen den für Mäuse pandemischen HK/483-Stamm boten.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> In der Tiermedizin starteten die ersten Versuche der DNA-Impfung 1993 bei Geflügel, getestet wurde der Effekt auf Geflügelpest.<ref name=":1">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Dort gibt es mittlerweile eine DNA-Impfung gegen die Vogelgrippe H5N1 bei Hühnern.<ref name=":1" />

Zur oralen Impfung von Bienen gegen die Varroa-Milbe wurde ein DNA-Impfstoff entwickelt,<ref>S. Giese, M. Giese: Oral Vaccination of Honeybees Against Varroa Destructor. In: M. Giese (Hrsg.): Molecular Vaccines: From Prophylaxis to Therapy. Band 1, Nr. 1. Springer-Verlag, 2013. S. 269 ff. ({{#if: CLm8BAAAQBAJ | {{#if: {{#if: ||1}} {{#if: CLm8BAAAQBAJ ||1}} | <0|&pg={{#if:|RA{{{Band}}}-}}PA269|&pg=269}}{{#if:|&q=}}#v=onepage|{{#if:|&pg=|}}{{#if:|&q=}}}}{{#if:|q=%7B%7B%7BSuchbegriff%7D%7D%7D}}|{{#if:|q=%7B%7B%7BSuchbegriff%7D%7D%7D}}}} {{#if:|{{#invoke:WLink|getEscapedTitle|{{{Linktext}}}}}|eingeschränkte Vorschau}}{{#if:|| in der Google-Buchsuche}}{{#ifeq:|US|-USA}}{{#if: CLm8BAAAQBAJ |{{#invoke: Vorlage:GoogleBook|fine |id=CLm8BAAAQBAJ |errN=Parameter „BuchID“ hat falsche Länge |errC=Parameter „BuchID“ enthält ungültige Zeichen |errH=# in der „BuchID“ |errP=Parameterzuweisungen in der „BuchID“ |class=editoronly |cat={{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Google Buch}} |template= Vorlage:Google Buch}} }} | Es darf nur genau einer der beiden Parameter „Suchbegriff“ oder „BuchID“ ausgefüllt werden. Bitte beachte die in der Vorlage:Google Buch befindliche Dokumentation und prüfe die verwendeten Parameter.{{#ifeq: 0 | 0 | }}}} | Es muss mindestens einer der beiden Parameter „Suchbegriff“ oder „BuchID“ ausgefüllt werden. Bitte beachte die in der Vorlage:Google Buch befindliche Dokumentation und prüfe die verwendeten Parameter.{{#ifeq: 0 | 0 | }}}}{{#invoke:TemplatePar|check |all= |opt= Suchbegriff= BuchID= Seite= Band= SeitenID= Hervorhebung= Linktext= Land= KeinText= |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Google Buch}} |template= Vorlage:Google Buch |format= @@@ }}{{#if:|{{#if:{{#invoke:WLink|isBracketedLink|{{{Linktext}}}}}| Linktext ungültig}}}})</ref> eine praktische Anwendung ist jedoch nicht bekannt (Stand Mai 2020).

In klinischer Prüfung befinden sich auch DNA-Impfstoffkandidaten zur Behandlung verschiedener Tumoren, wie z. B. Zervix- oder Kopf-Hals-Karzinome.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Das indische Unternehmen Cadila Healthcare hatte bei den indischen Behörden eine Notfallzulassung für den DNA-Impfstoff ZyCoV-D beantragt.<ref>{{#if:Vorlage:Cite book/URL|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:{{#if:

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Abgrenzung zu Impfungen mit Vektorviren

Eine Möglichkeit der Impfung kann auch das Einbringen der DNA mittels eines viralen Vektors sein. Der virale Vektor ist dabei nicht der zu bekämpfende Erreger selbst, sondern ein Trägervirus, in das der Teil der DNA des Erregers eingebaut wurde, der für das Antigen codiert. Als Trägerviren werden unter anderem abgeschwächte Adenoviren verwendet, die nicht humanpathogen sind. Teilweise wird für diese Form der DNA-Einbringung der Begriff „DNA-basiert“ (engl. „DNA-based“)<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if:

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  }}Vorlage:Cite book/Meldung2{{#ifexpr: 0{{#ifeq:^^|^^||+1}}{{#ifeq:^^|^^||+1}}{{#ifeq:Sanjay Kumar Mishra, Timir Tripathi|^^||+1}}{{#ifeq:^^|^^||+1}} > 1
    | Vorlage:Cite book/Meldung
  }}</ref> oder auch „DNA-Impfung“ verwendet.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:genetische Impfung|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=genetische Impfung}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/genetische-impfung/27279%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=genetische Impfung}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/genetische-impfung/27279}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=genetische Impfung}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Auf: Spektrum.de{{#if: 2021-01-21 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Vergleich mit anderen Impfstofftypen

Die Hauptvorteile von DNA-Impfstoffen gegenüber einer Impfung mit gereinigten oder rekombinanten Antigenen liegen in der einfachen und sehr kostengünstigen<ref name=":0" /> Herstellung per Fermentation, der biologischen und chemischen Stabilität, der einfachen Anpassung der Impfstoffe sowie einer Aktivierung der zellulären Immunität. Außerdem könnten Massenimpfungen sicherer und schneller durchgeführt werden.<ref name=":0" /> Außerdem enthält die eingebaute DNA starke Promotoren.<ref name=":0" /> Die Weltgesundheitsorganisation stellte 2005 Richtlinien für die Herstellung von DNA-Impfstoffen auf,<ref name="who-Guideline">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|: }}{{#if:|{{#if:Guidelines for assuring the quality and non-clinical safety evaluation of DNA vaccines|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Guidelines for assuring the quality and non-clinical safety evaluation of DNA vaccines}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.who.int/publications/m/item/guidelines-for-assuring-the-quality-and-non-clinical-safety-evaluation-of-dna-vaccines%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Guidelines for assuring the quality and non-clinical safety evaluation of DNA vaccines}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.who.int/publications/m/item/guidelines-for-assuring-the-quality-and-non-clinical-safety-evaluation-of-dna-vaccines}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Guidelines for assuring the quality and non-clinical safety evaluation of DNA vaccines}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2021-06-13 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Im Gegensatz zu RNA-Impfstoffen werden DNA-Impfstoffe in den Zellkern transportiert und sind vom Import in den Zellkern und von der Transkription abhängig.<ref name="Poveda">C. Poveda, A. B. Biter, M. E. Bottazzi, U. Strych: Establishing Preferred Product Characterization for the Evaluation of RNA Vaccine Antigens. In: Vaccines. Band 7, Nummer 4, September 2019, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 31569760, }} PMC 6963847 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> RNA in RNA-Impfstoffen ist im Vergleich zu DNA relativ empfindlich für abbauende Enzyme (bei RNA sind das RNasen), die ubiquitär vorkommen.<ref>S. C. Tan, B. C. Yiap: DNA, RNA, and protein extraction: the past and the present. In: Journal of biomedicine & biotechnology. Band 2009, 2009, S. 574398, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 20011662, }} PMC 2789530 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> DNA ist dagegen stabil auch bei Raumtemperatur und erfordert keine Kühlkette.<ref>L. Li, N. Petrovsky: Molecular mechanisms for enhanced DNA vaccine immunogenicity. In: Expert review of vaccines. Band 15, Nummer 3, 2016, S. 313–329, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 26707950, }} PMC 4955855 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> RNA ist kostenintensiver herzustellen als Plasmid-DNA.<ref name="Borah">P. Borah, P. K. Deb, N. A. Al-Shar'i, L. A. Dahabiyeh, K. N. Venugopala, V. Singh, P. Shinu, S. Hussain, S. Deka, B. Chandrasekaran, D. M. Jaradat: Perspectives on RNA Vaccine Candidates for COVID-19. In: Frontiers in Molecular Biosciences. Band 8, 2021, S. 635245, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 33869282, }} PMC 8044912 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> Bei viralen Vektoren, DNA-, RNA- und Untereinheitenimpfstoffen wird kein vollständiger Erreger zur Produktion verwendet, wodurch für die Produktionsstätte keine zusätzliche Zulassung notwendig ist, in Deutschland nach dem Infektionsschutzgesetz und der Biostoffverordnung. Die Herstellung von RNA-Impfstoffen per In-vitro-Transkription erfolgt zudem ohne eine Verwendung lebender Zellen (zellfreie Produktion).<ref name="Bloom 2021">K. Bloom, F. van den Berg, P. Arbuthnot: Self-amplifying RNA vaccines for infectious diseases. In: Gene therapy. Band 28, Nummer 3–4, April 2021, S. 117–129, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 33093657, }} PMC 7580817 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref>

Im Gegensatz zu attenuierten (aus in ihrer Wirkung abgeschwächten Erregern bestehenden) Impfstoffen kann keine Reversion (Rückmutation) zu einem Pathogen auftreten, da nur einzelne Bestandteile eines Pathogens verwendet werden. Im Vergleich zu viralen Vektoren erzeugt RNA (und DNA) keine Vektorimmunität,<ref name="Borah" /> da RNA-Lipid-Nanopartikel keine Proteine aufweisen, die sonst bei viralen Vektoren und ihrer erneuten Anwendung zu einem vorzeitigen Abbau eines Anteils der viralen Vektoren führt. Im Gegensatz zu älteren Impfstofftypen wie Totimpfstoffen, darunter auch Untereinheitenimpfstoffe und Peptidimpfstoffe, wird bei genetischen Impfstoffen (DNA-Impfstoffe, RNA-Impfstoffe oder virale Vektorimpfstoffe) das Antigen im Zytosol erzeugt, wodurch nicht nur eine humorale, sondern auch eine zelluläre Immunantwort ausgelöst wird.

Literatur

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J. Lee, S. Arun Kumar, Y. Y. Jhan, C. J. Bishop: Engineering DNA vaccines against infectious diseases. In: Acta Biomaterialia. Band 80, 10 2018, S. 31–47, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 30172933, }} PMC 7105045 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).
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Weblinks

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