Präklinische Validierung

Weltweit leiden etwa 235 Millionen Menschen an Asthma. Unter Kindern ist Asthma die am weitesten verbreitete chronische Erkrankung, was zu einer starken Einschränkung der Lebensqualität führt. Es konnte gezeigt werden, dass Kinder, die sich im Säuglings- oder Kleinkindalter mit dem Respiratorischen Synzytialvirus (RSV) infiziert haben, mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit später an Asthma erkranken. Als Standardtherapie werden bei Asthma Glucocorticoide und Beta-2-Sympathomimetika eingesetzt, die allerdings in schweren Fällen oft unzureichend sind und zudem bei längerfristigem Einsatz deutliche Nebenwirkungen zeigen. Eine alternative Behandlung wird daher dringend gesucht.

Wegen des Zusammenhangs zwischen wiederholten RSV-Infektionen im frühen Kindesalter und Asthmaerkrankungen soll hier präventiv eingegriffen werden. Das MucoRSV Projekt untersucht, ob durch eine Impfung gegen RSV solch eine wiederholte Infektion verhindert und damit einer Asthma­erkrankung vorgebeugt werden kann.

Aktuell gibt es noch keine zugelassenen Impfstoffe gegen RSV. Im Rahmen dieses Projekts sollen verschiedene Impfstoffe getestet werden, die mukosal – also über ein Nasenspray oder Inhalation – verabreicht werden. Dabei kommt zum einen ein Totimpfstoff zum Einsatz, bei dem die Viren mittels Niedrigenergie-Elektronenbestrahlung inaktiviert werden. Dieser Impfstoff soll unter anderem in Nanopartikeln verpackt werden, um eine gesteigerte Aufnahme über die Schleimhäute zu ermöglichen. Als weiterer Impfstoff wird DNA eingesetzt, die für RSV-F – das wichtigste RSV-Antigen – kodiert. Diese DNA wird in nicht-humanen Papillomaviren verpackt und mit Hilfe dieser Genfähren appliziert.

Ein Impfstoff gegen RSV könnte so nicht nur die Virus­erkrankung selbst vermeiden, sondern auch schwerwiegende chronische Folgen wie Asthma verringern.

Aktuell sind ca. 82 Prozent aller Menschen in Deutschland mit dem humanen Herpes simplex Virus (HSV) infiziert. Der Erreger wird in zwei Typen unterschieden, welche sich hauptsächlich in der Krankheitslokalisa­tion unterscheiden. Die HSV Typ 1 (HSV-1)-Infektion ist auch als Lippenherpes bekannt, während sich HSV Typ 2 (HSV-2) vor allem im Genitalbereich ausbreitet. Beide Typen können schwere Verlaufsformen bilden, welche zu einer lebensbedrohlichen Herpes-simplex-Enzephalitis (Gehirnentzündung) führen können. 

Nukleosid-Analoga, wie beispielsweise Acyclovir oder Valacyclovir, bilden zur Zeit die Standardtherapie für die Behandlung von HSV-Infektionen. Jedoch werden vermehrt auch Nukleosid-Analoga-resistente Virus­stämme nachgewiesen, sodass alternative Therapien dringend benötigt werden. Eine solche Alternative stellen die Helikase-Primase-Inhibitoren (HPIs) dar, welche über einen neuartigen Wirkmechanismus die virale Replikation inhibieren. Für die Untersuchung der antiviralen Wirkung neuer Wirkstoffkandidaten dieser Substanzklasse wurde eine Therapiestudie für die Behandlung von HSV-Infektionen im Maus­modell durchgeführt.

Bei niedrigeren Dosen als die Valacyclovir-Kontrolle konnte eine deutliche Verbesserung durch die neuen HPIs bei klinischen Parametern festgestellt werden. Während der Beobachtungszeit von drei Wochen nach der Infektion konnten keinerlei Nebenwirkungen der Behandlung festgestellt werden. Die anschließende Analyse zeigte, dass die mit HPIs behandelten Tiere im Vergleich zu nicht behandelten Tieren eine signifikant geringere Viruslast aufwiesen. 

Durch das Projekt konnte gezeigt werden, dass die neuartigen Wirkstoffkandidaten die klinischen Symptome einer HSV-Infektion signifikant reduzieren oder sogar verhindern können. Somit stellen HPIs eine potente Therapie­alternative zur aktuellen Standard­therapie mit Nukleosid-Analoga dar.

Bei der Anwendung von Narkosemitteln (Anästhetika) kann es zu unerwünschten und teils lebensbedrohlichen Nebenwirkungen kommen. Eines der am häufigsten eingesetzten Anästhetika ist Propofol. Bei der Verwendung von Propofol kann es bei Langzeitnarkosen und insbesondere bei Kindern zu einer seltenen aber tödlichen Nebenwirkung kommen, dem Propofol-Infusionssyndrom (PRIS). PRIS ist ein Symptomkomplex bei dem es zu schweren Störungen des Herz-Kreislauf-Systems, Nierenversagen, einer drastischen Absenkung des Blut-pH-Wertes (Laktatazidose) sowie zur Auflösung der quergestreiften Muskulatur (Rhabdomyolyse) kommen kann. Diese Störungen führen in den meisten Fällen zu einem tödlichen Multiorganversagen.

In Kooperation mit einem Industriepartner wurde am Fraunhofer IZI ein Modellsystem im Kaninchen zur Untersuchung des PRIS etabliert. Basierend auf einer Studie aus dem Jahre 2007 (Ypsilantis et al., 2007) wurde eine Pilotstudie am Fraunhofer IZI durchgeführt um das beschriebene Modell an die geforderten Fragestellungen zu adaptieren. Nach Intubation und erfolgreicher Einleitung der Propofol-Anästhesie ist es gelungen, die Tiere über einen Zeitraum von bis zu 48 Stunden stabil in Narkose zu halten. Währenddessen wurden die Sauerstoff- und Kohlendioxidwerte sowie der Säure-Base-Haushalt der Tiere genauestens überwacht. Außerdem wurden Reflextests durchgeführt, um eine sichere Narkosetiefe gewährleisten zu können und die Herzfunktionen und die Temperatur in regelmäßigen Intervallen überprüft. Die Entwicklung eines PRIS äußerte sich in einem unaufhaltbaren letalen multiplen Organversagen. Anschließend wurden sämtliche Organe der Tiere entnommen und histologisch untersucht. Des Weiteren wurden massenspektroskopische Untersuchungen der Gallenflüssigkeit und detaillierte Untersuchungen des Blutbilds durchgeführt.

Im Rahmen der Pilotstudie wurde bereits ein neuer Biomarker identifiziert, der möglicherweise zum Monitoring von narkotisierten Patient*innen genutzt werden kann. Dieser Biomarker wird im weiteren Projektverlauf anhand humaner Blutproben validiert. 

DNA-Impfstoffe gewinnen zunehmend an Popularität wegen ihrer kostengünstigen Produktion und hohen Stabilität sogar bei Raumtemperatur. Eines der Hauptprobleme der DNA-Vakzinierung, die geringe zelluläre Aufnahme der Impf-DNA durch die geimpfte Person, konnte durch die Anwendung der Elektroporation überwunden werden. Diese Methode ist jedoch vergleichsweise aufwendig und schmerzhaft für die*den Geimpfte*n. Neue Verfahren für die DNA-Übertragung in vivo sind daher von großem Interesse.

Viren sind Spezialisten der DNA-Übertragung und können in abgewandelter Form als »Pseudoviren« (PsVs) DNA in ihrem Capsid verpacken und diese effizient in Zellen einbringen. Für dieses Projekt wurden unterschiedliche nicht-humane Papillomviren ausgewählt und auf ihre Fähigkeit hin analysiert, PsV-Partikel zu bilden, DNA zu verpacken und diese in Zellen einzuschleusen. Während die meisten der getesteten nicht-humanen Papillomaviren kaum DNA-Übertragung in Zellkulturen zeigten, waren zwei Kandidaten besonders effizient: Papillomaviren, die normalerweise den Puma (PcPV1) und den Makaken (MfPV11) infizieren. Diese beiden wurden daher auch in tierexperimentellen Studien eingesetzt. Sowohl PcPV1 als auch MfPV11 übertrugen effizient das Luziferase-Plasmid nach intramuskulärer Applikation in der Maus. Im Falle von PcPV1 hielt diese Expression sogar mehrere Woche lang an. Um die beiden Papilloma-PsV-Kandidaten auch in einem Impfversuch zu testen, wurden Mäuse intramuskulär und intranasal mit diesen in Vortests erfolgreich validierten PsVs immunisiert, die ein Impfplasmid trugen. Die Impfung erfolgte für das Respiratorische Synzytialvirus (RSV). Nach erfolgter Impfung wurden die Tiere mit infektiösem RSV infiziert und die Viruslast wurde bestimmt. Im Vergleich zu nicht geimpften Mäusen, zeigten die immunisierten Tiere eine signifikant verringerte Viruslast in ihren Lungen.

In der Vergangenheit wurden bereits humane Papillomaviren erfolgreich für den Gentransfer eingesetzt. Die humanen Genfähren haben allerdings die Limitation der Vektorimmunität, da viele Menschen bereits durch Impfungen oder natürliche Infektionen mit humanen Papillomaviren in Berührung gekommen sind.

Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass nicht-humane Papillomaviren grundlegend als Genfähren fungieren und somit das Potenzial zur Impfstoffplattform für eine intramuskuläre oder mukosale Applikation haben.

Das Humane Respiratorische Synzytial Virus (RSV) verursacht bei den meisten Menschen nur leichte Beschwerden wie Schnupfen, Husten, Heiserkeit. Jedoch ist dieses Virus das größte infektiologische Problem von Frühchen und Säug­lingen unter 6 Monaten. Hier verursacht das Virus schwere Krankheitsverläufe, die häufig stationäre Behandlungen erforderlich machen. Bisher ist weder eine Therapie noch ein Impfstoff verfügbar, der wirksam gegen die Infektion mit RSV schützt. Ein Test bei Kindern in den 1960er Jahren mit einem chemisch inaktivierten Impfstoff hatte einen gegenteiligen Effekt. Hier wurde eine Erkrankungs­verstärkung nach natürlicher RSV-Infektion beobachtet.

Genetische Vakzinen werden zur Entwicklung für eine Reihe von Indikationen derzeit erprobt. Im Rahmen einer großen Studie wurde ein neuartiges Impfverfahren mit Hilfe von genetischen Vakzinen untersucht. Dabei wurde ein ring­förmiges DNA-Molekül als Impfstoff verabreicht, gefolgt von einer schmerzfreien, in den Rachen gesprühten Impfung. Diese Impfkombination zeigte eine überraschende komplette Protektion gegen die Infektion mit dem Virus. Diese viel­versprechenden präklinischen Erfolge sollen nun im Menschen weiter getestet und auf andere Impfkandidaten ausgeweitet werden.