Ende 2020 basierten die meisten der weltweit millionenfach verabreichten COVID-19-Impfstoffe auf einer Technologie, die zuvor nie in diesem Ausmaß in der Medizingeschichte eingesetzt worden war: mRNA. Die Wissenschaft dahinter war tatsächlich das Ergebnis einer Forschungslinie, die Jahrzehnte zuvor begann, wiederholt abgelehnt und beinahe aufgegeben wurde. Die Geschichte, die Katalin Karikó und Drew Weissman 2023 den Nobelpreis für Medizin einbrachte, ist ein Beweis dafür, dass die Wissenschaft ihre größten Durchbrüche manchmal genau dort erzielt, wo sie auf den größten Widerstand trifft.
Was unterscheidet sie von herkömmlichen Impfstoffen?
Herkömmliche Impfstoffe setzen in der Regel auf einen von zwei Ansätzen: die Verabreichung einer abgeschwächten oder inaktivierten Version des Virus oder die direkte Injektion eines Proteins von der Virusoberfläche. Beide Methoden sind in der Herstellung langsam und komplex, da entweder das Virus im Labor gezüchtet oder das Protein in großen Bioreaktoren produziert werden muss.
mRNA-Impfstoffe funktionieren nach einem völlig anderen Prinzip. Anstatt das Virus selbst oder sein Protein zu liefern, senden sie unseren Zellen ein genetisches Molekül mit der Anweisung: "Stelle dieses Protein selbst her." mRNA (Boten-RNA) ist ein Molekül, das bereits natürlicherweise in unseren Zellen vorkommt und Informationen von der DNA zur proteinherstellenden Maschinerie (den Ribosomen) transportiert. Der Impfstoff enthält ein synthetisches mRNA-Fragment mit der Bauanleitung für das Oberflächenprotein des Virus – etwa das Spike-Protein von SARS-CoV-2.
Was passiert im Körper?
Nach der Injektion gelangt das mRNA-Molekül in Muskelzellen und nutzt deren eigene Proteinherstellungsmaschinerie, um kurzzeitig das virale Protein zu produzieren. Das Immunsystem erkennt dieses fremde Protein, bildet Antikörper dagegen und baut ein spezifisches immunologisches Gedächtnis auf. Innerhalb weniger Tage wird das mRNA-Molekül von der Zelle auf natürliche Weise abgebaut und beseitigt – es integriert sich niemals in die zelleigene DNA und verändert das Erbgut in keiner Weise.
Eine jahrzehntelange Geschichte der Ablehnung
In den 1990er-Jahren war Katalin Karikó an der University of Pennsylvania fast die Einzige, die daran glaubte, dass mRNA therapeutisch eingesetzt werden könnte. Das Problem war gravierend: im Labor synthetisierte mRNA löste im Körper eine heftige Entzündungsreaktion aus und wurde rasch abgebaut. Karikós Förderanträge wurden einer nach dem anderen abgelehnt, eine Beförderung an der Universität blieb ihr verwehrt, zeitweise wurde sie sogar zurückgestuft.
Die Begegnung mit dem Immunologen Drew Weissman im Jahr 1997 erwies sich als Wendepunkt. Als das Duo eine der Nukleosidbasen im mRNA-Molekül (Uridin) durch eine chemisch modifizierte Version (Pseudouridin) ersetzte, entdeckten sie, dass das Immunsystem das Molekül nicht mehr als Bedrohung wahrnahm – die Entzündungsreaktion verschwand nahezu vollständig. Diese 2005 veröffentlichte Erkenntnis sollte sich später als Wendepunkt des Feldes erweisen, wurde jedoch zunächst von großen wissenschaftlichen Fachzeitschriften abgelehnt und über Jahre nur selten zitiert.
Die Rolle der Lipid-Nanopartikel
Damit die Entdeckung klinisch nutzbar werden konnte, musste noch ein zweites technisches Problem gelöst werden: der Transport des empfindlichen mRNA-Moleküls zu den Zielzellen, ohne dass es im Körper zerfällt. Dieses Problem wurde durch die Arbeit einer anderen Forschergruppe gelöst, die lernte, mRNA in Lipid-Nanopartikel zu verpacken – mikroskopisch kleine, fettbasierte Kapseln. Diese Nanopartikel schützten die mRNA sowohl vor dem Abbau als auch erleichterten sie den Durchtritt durch die Zellmembran. Die Kombination aus Pseudouridin-Modifikation und Lipid-Nanopartikel-Transport bildete die technische Grundlage für die 2020 in Rekordzeit entwickelten COVID-19-Impfstoffe.
Der Nobelpreis und was danach kommt
2023 wurden Karikó und Weissman mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet, "für ihre Entdeckungen zu Nukleosidbasen-Modifikationen, die die Entwicklung wirksamer mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 ermöglichten". Das Nobelkomitee betonte, dass die Arbeit des Duos "eines der kritischsten Bedürfnisse der Menschheit in der Neuzeit erfüllte, während einer der am schnellsten verbreiteten Gesundheitskrisen" der jüngeren Geschichte.
Heute reicht das Potenzial der mRNA-Technologie weit über Impfstoffe hinaus. Forscher nutzen dieselbe Plattform, um Impfstoffe gegen andere Infektionskrankheiten wie Grippe, RSV und Zika zu entwickeln. Noch ambitionierter ist die Entwicklung personalisierter Krebsimpfstoffe: mRNA-Moleküle, die nach dem spezifischen Mutationsprofil eines Tumors gestaltet werden, mit dem Ziel, das Immunsystem darauf zu trainieren, die einzigartigen Krebszellen dieses Patienten zu erkennen und zu zerstören. Frühe klinische Studien bei bestimmten Melanom- und Bauchspeicheldrüsenkrebsarten zeigen bereits vielversprechende Ergebnisse.
Fazit
Die Geschichte der mRNA-Impfstofftechnologie erinnert daran, dass wissenschaftlicher Fortschritt selten geradlinig verläuft. Karikós jahrzehntelange, weitgehend übersehene Arbeit wurde zur Lösung einer globalen Gesundheitskrise, als sie zur richtigen Zeit auf den richtigen Partner traf. Die heute in Laboren entwickelten Krebsimpfstoffe und neuartigen Impfstoffe gegen andere Infektionskrankheiten zeigen, dass die Wirkung dieser Technologie gerade erst begonnen hat.