Perspektiven für die Entwicklung einer HIV-Vakzine aus: Deutsches Ärzteblatt, Ausgabe vom , Seite A-1962 / B-1656 / C-1550

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1 Pressekonferenz Auf Erfolgskurs: Das Kompetenznetz HIV/AIDS Donnerstag, , Uhr MEDICA-Kongress Messe Düsseldorf, CCD Süd, Raum 14 Hintergrundinformation Perspektiven für die Entwicklung einer HIV-Vakzine aus: Deutsches Ärzteblatt, Ausgabe vom , Seite A-1962 / B-1656 / C-1550 Zusammenfassung Mehrere HIV-Impfstoffkandidaten werden derzeit in klinischen Testreihen untersucht. Anstelle der klassischen Tot- und Lebendimpfstoffe werden verschiedene neue Formen der Immunisierung, unter anderem Protein- und DNA-Impfstoffe sowie virale und bakterielle Vektoren, erprobt. Darüber hinaus werden Kombinationen unterschiedlicher Immunogene und neuartige Immunverstärker getestet. Ergebnisse der ersten von zwei laufenden Phase- 3-Studien werden Ende dieses Jahres erwartet. Wissenschaftliche und klinische Einrichtungen in Deutschland sind in zunehmendem Maß an der Impfstoffentwicklung beteiligt. Es gibt allerdings bisher weder experimentelle noch klinische Hinweise darauf, dass Impfstoffe die HIV-Infektion wirklich verhindern können. Studien im Affenmodell belegen jedoch, dass eine prophylaktische Immunisierung den klinischen Verlauf einer Infektion günstig beeinflussen kann. Eine Impfstrategie, bei der die Infektion zwar nicht verhindert, jedoch die Krankheit hinausgezögert, die Viruslast verringert und damit das Transmissionsrisiko reduziert würde, wäre epidemiologisch sinnvoll und könnte möglicherweise realisiert werden. In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Vakzinekandidaten entwickelt und zum Teil bereits am Menschen getestet. Ein durchschlagender Erfolg blieb bisher aus. Auf der Basis der bisherigen Erkenntnisse und unter Einbeziehung der klinischen Erfahrung könnte eine Änderung der Zielsetzung jedoch in Zukunft zu einer Vakzine führen, die sowohl dem Einzelnen nützt als auch die Ausbreitung der Infektion eindämmt. Heutige Vakzinestrategien

2 berücksichtigen eine Vielzahl jüngerer Erkenntnisse der virologischen und immunologischen HIV-Grundlagenforschung sowie vermehrt Daten zur Epidemiologie der HIV-Infektion. Zelluläre und humorale Immunantwort Auch wenn nicht bekannt ist, ob das menschliche Immunsystem jemals überhaupt in die Lage versetzt werden kann, vor einer HIV-Infektion zu schützen, so besteht doch weitgehend Konsens darüber, dass eine optimale Vakzine in der Lage sein sollte, dauerhafte humorale und zelluläre Immunantworten gegen eine breite Auswahl genetischer Varianten von HIV zu induzieren. Grundlage für diese Forderung sind immunologische Studien bei Personen, die sich trotz wiederholter HIV-Exposition nicht infizierten, und bei Langzeitüberlebenden mit nichtprogredienter Erkrankung (long-term non-progressors) sowie Experimente mit Rhesusaffen. Sie weisen darauf hin, dass alle Bereiche der erregerspezifischen Immunabwehr, einschließlich neutralisierender Antikörper, zytotoxischer T-Lymphozyten (CTL) und Helfer-T-Lymphozyten (HTL) sowie lösliche Mediatoren der zellvermittelten Immunantwort, Zytokine und Chemokine, dazu beitragen, die Virusvermehrung in vivo einzudämmen und den Krankheitsprozess aufzuhalten. Konsens besteht generell auch dahingehend, dass neben der Induktion einer systemischen zellulären und humoralen Immunantwort der Stimulation einer möglichst effektiven Schleimhautimmunität oberste Priorität einzuräumen ist, um das Virus bereits an seinen natürlichen Eintrittspforten, den Schleimhäuten des Genital- und Rektalbereichs, abzufangen. Die Immunität sollte viele Jahre anhalten. Virusvariabilität als besondere Herausforderung Genetisch werden zahlreiche Virushaupt- (M, N, O) und -subtypen (A-K) unterschieden, die auch in ihrer geographischen Ausbreitung signifikant voneinander abweichen. Eine der größten Herausforderungen ist die Konzeption einer Impfstrategie, die in der Lage ist, eine Immunantwort zu induzieren, die vor Infektion durch genetisch divergente HIV-Stämme schützt. Prinzipiell sind zwei Lösungsmöglichkeiten denkbar: Entweder es gelingt, einen Impfstoff zu konzipieren der gegen stammübergreifend konservierte Strukturen immunisiert, oder aber die Variabilität des Virus wird durch einen Vakzine-Cocktail abgebildet, der auf ausgesuchten Vertretern relevanter Virustypen beruht. In jedem Fall bedarf die Konzeption einer Vakzinierungsstrategie umfassender molekularepidemiologischer Studien in potenziellen Testgebieten. Ein besonderes Hindernis für die Impfstoffentwicklung ist zusätzlich die außergewöhnlich hohe Mutationsfähigkeit des Virus, insbesondere in den oberflächenexponierten Bereichen der viralen Hüllproteine. An ihnen greifen Virus neutralisierende Antikörper an und können dadurch die Infektion des Körpers verhindern. Die Mutationsfähigkeit verleiht dem HI-Virus

3 die Möglichkeit, sich dem Immunsystem immer wieder zu entziehen und ist neben dem Angriff auf die zentralen Zellen des Immunsystems, die Helfer-T-Lymphozyten, wesentlicher Virulenzfaktor des Virus. Wahl des Antigens Die Ziele der Immunisierung bestimmen wesentlich, welche Impfantigene infrage kommen. Neutralisierende Antikörper binden an die Virus-Hüllglykoproteine. Synthetische Derivate der HIV-Hüllglykoproteine, Komplexe aus den viralen Hüllproteinen und den entsprechenden zellulären Rezeptoren sowie gespiegelte Abbilder neutralisierender Antikörper (Anti- Idiotypen) repräsentieren die Zielrichtung innovativer Versuche, eine breit neutralisierende Antikörperantwort zu induzieren. Aktuelle Strategien, die auf die Stimulation zellvermittelter Immunparameter zielen, stützen sich dagegen meist auf genetisch hoch konservierte Komponenten innerhalb der Kapsid- und Matrix-Strukturproteine (Gag) von HIV. Darüber hinaus zielen einige Impfstoffkandidaten auf die Induktion einer zellulären Immunantwort gegen die im viralen Replikationszyklus früh exprimierten regulatorischen Polypeptide Nef, Tat und Rev. Da sowohl humorale als auch zelluläre Faktoren aktiviert werden sollen, enthalten neuere Vakzinestrategien meist mehrere virale Komponenten. Bedeutung des Impfstoffprinzips Neben der Auswahl der Antigene kommt der Art der Präsentation des Immunogens entscheidende Bedeutung bei der Induktion der Immunreaktion zu. Einige Impfstoffe induzieren ausschließlich eine humorale Immunantwort, andere vor allem die zelluläre Immunreaktion, wieder andere können beide Arme der spezifischen Immunantwort gleichermaßen aktivieren. Vor allem Lebendimpfstoffe und virale Vektoren, die Teile des HIV-Erbmaterials tragen sowie DNA-Vakzine eignen sich zur Induktion einer systemischen zellulären Immunität. Die orale Verabreichung gentechnisch veränderter Salmonellen kann im Tierversuch eine Immunantwort auf Schleimhäuten generieren, die sowohl humorale als auch zelluläre Immunfaktoren einschließt. Auch die Wahl der Adjuvanzien, Zusätze, die den Impfstoffen beigefügt werden, um die Aktivierung der Immunantwort zu unterstützen, entscheidet, ob bei der Verabreichung rekombinanter Proteine entweder, wie bei Aluminiumhydroxid, dem einzigen bisher zugelassenen Adjuvans, die Antikörperantwort verstärkt oder, wie experimentell durch CpG-Oligodinukleotide gezeigt, vorzugsweise zelluläre Immunparameter aktiviert werden. Rolle des Immunisierungsschemas Die Immunantwort kann nicht nur durch Adjuvanzien moduliert werden, sondern auch durch die Kombination unterschiedlicher Immunogene. Beim so genannten Prime-Boost-Verfahren wird mit der Verknüpfung von verschiedenen Einzelkomponenten in definierter zeitlicher

4 Abfolge versucht, eine additive oder synergistische Wirkung auf das Immunsystem zu erzielen. Dabei werden Immunogene, die neutralisierende Antikörper induzieren können (zum Beispiel Proteinimpfstoffe), gerne mit Vakzinekandidaten kombiniert, die besonders gut eine zelluläre Immunantwort generieren (zum Beispiel virale Vektorimpfstoffe). Eine Prime- Boost-Strategie ist beim Einsatz von bestimmten Impfstoffen, wie viralen Vektoren zwingend erforderlich, da bereits nach der erstmaligen Anwendung der Vektoren das Immunsystem massiv auf das Trägervirus reagiert und bei einer zweiten Applikation die Immunantwort gegen die transportierten HIV-Proteine überlagert. Klinische HIV-Vakzine-Studien Klinische Studien der Phasen 1 und 2 untersuchen die Verträglichkeit und bestimmen die Immunogenität potenzieller Impfstoffe. Die Vakzinekandidaten werden darin bei nichtinfizierten Personen mit geringem Expositionsrisiko geprüft. Bisher wurden mehrere Dutzend Studien der Phase 1 und 2 mit HIV-Impfstoffkandidaten durchgeführt. Tabelle 1 veranschaulicht das Spektrum der bisher berücksichtigten und getesteten Substanzen. Alle getesteten Impfstoffkandidaten waren gut verträglich. Wiederholt wurden bei Geimpften jedoch Infektionsdurchbrüche festgestellt. Alle bisher für Virusinfektionen zugelassenen Impfstoffe beruhen auf den Prinzipien von Lebend- und Tot- oder Proteinimpfstoffen. Gegen die HIV-Infektion werden zahlreiche neue Prinzipien erprobt. Am besten sind bisher HIV-Proteinimpfstoffe untersucht. Lebend- und Totimpfstoffe Lebend- und Totimpfstoffe, die klassischen Immunogene für zahlreiche andere Virusinfektionen, wurden am Gesunden bisher wegen Bedenken hinsichtlich ihrer Sicherheit nicht eingesetzt. Bei Affen wurden Lebendimpfstoffe jedoch bereits Anfang der 90er-Jahre getestet. Die Immunisierung mit Viren, die aufgrund einer Deletion im Bereich des regulatorisch wirksamen nef-gens attenuiert waren, verhinderte bei diesen Tieren die Infektion mit pathogenem Virus. Allerdings persistierten die Impfviren im Körper der immunisierten Tiere und verursachten unter bestimmten Bedingungen selbst Aids. Chemisch inaktivierte Viren wurden zwar nicht als Impfstoffe getestet, jedoch als potenziell immunstimulatorisch wirksames Therapeutikum bei HIV-Infizierten erprobt (Substanzname: Remune). Aufgrund der chemischen Behandlung und physikalischen Prozesse bei der Herstellung fehlt den inaktivierten Viren der äußere Teil der Hüllglykoproteine (gp120). Neutralisierende Antikörper werden durch solche Konstrukte nicht induziert. Proteinvakzine Proteinvakzine (subunit vaccine) sind synthetisch hergestellte Kopien einzelner viraler Proteine oder aufgereinigte Virusbestandteile. Sie induzieren in erster Linie eine

5 Antikörperantwort. Klinische Studien zeigen, dass HIV-Glykoproteine zuverlässig in der Lage sind, neutralisierende Antikörper zu induzieren. Ursprünglich wurden für Immunisierungen Hüllglykoproteine von HIV-Laborstämmen eingesetzt. Dies hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, da die dadurch induzierten Antikörper Wildtyp-HI-Viren praktisch nicht neutralisierten. Inzwischen werden Proteine, deren Aminosäuresequenz denen von Wildtyp- Viren entsprechen, verwendet. Allerdings waren in bisherigen Untersuchungen auch hierbei die induzierten Antikörper typspezifisch, das heißt sie neutralisierten nur selten Virusvarianten mit Hüllglykoproteinen anderer Virusstämme. Ungenügende Induktion kreuzreagierender Antikörper und zellulärer Immunantworten werden für den mangelhaften Schutz in bisherigen Phase-1- und -2-Studien verantwortlich gemacht. Glykoprotein- Immunogene werden bisher als einzige Vakzinekandidaten auch in Impfstudien der Phase 3 getestet. DNA-Vakzine Das Prinzip der Immunisierung mit DNA-Plasmiden beruht auf der zunächst erstaunlichen Beobachtung, dass die Applikation von DNA eine Immunantwort gegen ein auf dem Plasmid kodiertes Protein induzieren kann. In bestimmten Tiermodellen können DNA-Impfstoffe eine protektive Immunantwort hervorrufen. Die Immunisierung mit DNA-Impfstoffen gilt aufgrund der guten Verträglichkeit und relativ kostengünstigen Herstellung von Plasmiden sowie der hohen chemischen Stabilität der Moleküle als interessantes neuartiges Impfstoffprinzip. Klinische Studien mit verschiedenen HIV-DNA-Vakzinen, die jeweils für ein oder mehrere HIV-Proteine kodieren, laufen bereits an mehreren Orten. Die Wirkung auf die zytotoxische T-Zell-Antwort blieb zunächst deutlich hinter den Erwartungen zurück, die man aufgrund von Studien mit Mäusen hatte. Innovative Ansätze, wie beispielsweise die Verwendung optimierter HIV-Gene, die Bindung von DNA an immunogene Trägersubstanzen oder der Zusatz von Zytokinen als Adjuvanzien tragen im Tierversuch inzwischen zu einer deutlich verbesserten Stimulation der zellvermittelten Immunantwort bei und lassen in zukünftigen Studien beim Menschen eine bessere Immunantwort erwarten. Trägerviren Aufgrund natürlicher immunologischer Vorgänge stimulieren Viren besonders gut die zelluläre zytotoxische Immunantwort. Trägerviren (virale Vektoren) sind Derivate von apathogenen Viren, die gentechnisch so verändert wurden, dass sie Gene fremder Organismen tragen können. Für HIV-Impfstudien wurden unter anderem verschiedene Vakziniavirus- und Vogelpockenviruskonstrukte, die eines oder mehrere HIV-Gene beinhalten, hergestellt, sowie rekombinante Viren auf Basis von Adenovirus und Alphaviren (Semliki-Forest-Virus, Sindbis-Virus, Venezuelanisches Pferdeenzephalitisvirus) konstruiert. Vakzinia- und Kanarienpockenviruskonstrukte werden zurzeit in mehreren Studien beim

6 Menschen getestet. Am weitesten fortgeschritten sind multizentrische Phase-2-Studien mit Kanarienpockenviruskonstrukten, die in Kombination mit HIV-Hüllglykoproteinen (gp120) eingesetzt werden. Der Beginn einer Phase-3-Studie in Thailand zur Untersuchung der Schutzwirkung einer Impfstoffkombination aus Kanarienpockenvirus und gp120 ist für September 2002 geplant. Weitere Pockenviruskonstrukte, unter anderem auf Basis des stark attenuierten modifizierten Vakziniavirus Ankara (MVA), sowie ein Impfkonstrukt auf der Basis eines Adenovirus Typ 5 werden zurzeit als Einzelsubstanzen beziehungsweise in Kombination mit DNA-Plasmiden klinisch getestet. Phase-3-Studien In der Phase 3 der klinischen Entwicklung wird die Wirksamkeit der Impfung untersucht. Bisher laufen zwei Phase-3-Studien, deren Ziel die Evaluierung des Schutzes vor Infektion ist (Tabelle 2). In beiden Fällen handelt es sich um einen HIV-Hüllglykoprotein- (gp120-) Impfstoff, der zwei in ihrer Aminosäuresequenz unterschiedliche HIV- Hüllglykoproteinvarianten enthält (AIDSVAX). In der in den USA, Kanada, Puerto Rico und den Niederlanden 1998 begonnenen ersten Studie besteht das Immunogen aus einer Kombination eines Glykoproteins eines HIV-Laborstamms (Subtyp B) mit dem eines natürlichen HIV-Isolats vom Subtyp B, dem in diesen Ländern vorherrschenden Virustyp. In der zweiten Studie wird in Thailand ein analoges Immunogen bestehend aus dem Laborstamm-Glykoprotein und dem Glykoprotein eines natürlichen Isolats des Subtyps E, der in Thailand neben dem Subtyp B vorherrschenden HIV-Variante, getestet. Insgesamt werden in beiden Studien zusammen zurzeit circa Freiwillige untersucht. Die Ende 2001 durchgeführte Zwischenanalyse der ersten der beiden Phase-3-Studien zeigte keinen ausreichenden Schutzeffekt und kommt deshalb zu dem Ergebnis, dass die Studie, wie ursprünglich vorgesehen, bis Ende 2002 fortgeführt wird. Zwischenergebnisse zur zweiten Studie, die erst neun Monate später begonnen wurde, stehen noch aus. HIV-Impfstoff-Forschung in Deutschland In der Bundesrepublik beteiligen sich sowohl öffentlich wissenschaftliche Einrichtungen als auch biotechnologische Unternehmen an der HIV-Impfstoffentwicklung. Die Arbeiten konzentrieren sich zurzeit auf molekularepidemiologische Studien, die in China (Institut für Mikrobiologie und Hygiene, Universität Regensburg), Tansania (Abteilung für Infektions- und Tropenmedizin, Ludwig-Maximilians-Universität, München) und Nigeria (Robert Koch-Institut, Berlin) durchgeführt werden. Darüber hinaus befindet sich ein WHO-Referenzzentrum für die molekulare Epidemiologie von HIV am Chemotherapeutischen Forschungsinstitut, Georg- Speyer-Haus, Frankfurt. An der Konstruktion neuer Vakzinekandidaten arbeiten insbesondere virologische Forschergruppen der Universitäten Regensburg und Würzburg sowie am GSF-

7 Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit, Neuherberg. Des Weiteren sind einige junge Biotechnologieunternehmen wie GeneArt, Regensburg, und Bavarian Nordic, Martinsried, an diesen Entwicklungen beteiligt. Das Paul-Ehrlich-Institut, Langen, das Deutsche Primatenzentrum, Göttingen, und das Robert Koch-Institut besitzen die erforderliche Infrastruktur zur Testung der Wirksamkeit von Impfstoffkandidaten an Primaten und haben in der Vergangenheit auf diesem Sektor eigene Versuchsreihen durchgeführt. Klinische Impfstudien, zum Beispiel an der Medizinischen Klinik III der Universität Erlangen- Nürnberg, sind in Deutschland in Vorbereitung (Prof. T. Harrer, persönliche Mitteilung). Die Abteilung für Infektions- und Tropenmedizin der Ludwig-Maximilians-Universität, München, bereitet zusammen mit Partnern vor Ort und dem Walter Reed Army Institute, Washington, D.C., USA, Vakzinierungsstudien in Tansania vor. Am Institut für Medizinische Mikrobiologie der Universität Regensburg wurde im Rahmen eines europäischen Forschungsverbundes ein HIV-Impfstoffkandidat entwickelt, der auf die weltweit am häufigsten vorkommende HIV-Variante, Subtyp C, abgestimmt ist und augenblicklich in unterschiedlichen Darreichungsformen (DNA-Impfstoff, virale Vektorvakzine) nach den Richtlinien des Arzneimittelgesetzes produziert wird. Der Beginn der vergleichenden klinischen Erprobung dieser Vakzinekandidaten in einer europäischen Multicenterstudie bei HIV-negativen Freiwilligen, unter anderem auch an der Medizinischen Klinik der Universität Regensburg, ist auf das dritte Quartal dieses Jahres anberaumt. Parallel dazu wird in einem von Regensburg aus koordinierten EU-Projekt die weiterführende Testung ausgewählter Kandidaten (DNA, virale Vektoren) im Rahmen einer Phase-1/2- Studie in China vorbereitet. Dazu gehört auch die Etablierung der erforderlichen Infrastruktur für zukünftige Phase-3-Wirksamkeitsstudien in den betroffenen Endemiegebieten. Orientierungswechsel in der Impfstoffentwicklung? Keiner der bisher beim Tier oder beim Menschen getesteten Impfstoffe scheint Infektionen mit den Immunschwächeviren wirklich verhindern zu können. Es ist deshalb fraglich, ob ein Immunschutz, der die HIV-Infektion vollkommen verhindert ( Sterilisierende Immunität ) oder nach kurzer Zeit eliminiert, durch Vakzinierung überhaupt induziert werden kann. Trotzdem könnte ein Impfstoff, der sowohl dem Geimpften nützt als auch die Ausbreitung der Infektion eindämmt, realisierbar sein. Diese Einschätzung beruht auf neuen, bemerkenswerten Erfolgen am Affenmodell der HIV-Infektion. Dabei wurde beobachtet, dass geimpfte Affen nach anschließender Infektion mit dem Immunschwächevirus eine deutlich niedrigere Viruskonzentration und höhere T-Helferzellzahlen im Blut sowie eine längere symptomfreie Zeit hatten als nichtgeimpfte Tiere. Vor diesem Hintergrund scheint es im Augenblick zu

8 einem Umdenken in Bezug auf die Zielsetzung zu kommen (Textkasten). Anstelle bisheriger Impfkonzepte, die einen vollständigen Schutz oder maximal eine zeitlich begrenzte Infektion zum Ziel haben, steht in Zukunft möglicherweise die Langzeitkontrolle der Infektion im Vordergrund der Impfbemühungen. Eine Vakzine, die eine Immunantwort induziert, die das Virus in Schach hält, wäre nicht nur für den Betroffenen hilfreich. Indem sie die Infektiosität der Körperflüssigkeiten der Infizierten und damit das Übertragungsrisiko unter einen für die Aufrechterhaltung der Infektionskette kritischen Schwellenwert senkt, könnte eine solche Vakzine die Ausbreitung der HIV-Infektion wirksam eindämmen. Fazit Entgegen der ursprünglichen Einschätzung der frühen 90er-Jahre gilt es mittlerweile als fraglich, ob es prinzipiell möglich ist, einen Impfstoff zu entwickeln, der die HIV-Infektion verhindert. Realistischer erscheint die Herstellung eines Impfstoffs, der in der Lage ist, bei einer Infektion die Virusvermehrung zu begrenzen, den Krankheitsprozess zu verzögern oder, im günstigsten Fall, zu verhindern. Ein derartiger Impfstoff wäre nicht nur für den Einzelnen wünschenswert, sondern aufgrund der Senkung der Viruslast in Blut und Körpersekreten und damit des Transmissionsrisikos auch aus epidemiologischer Sicht sinnvoll. Augenblicklich werden, auch mit deutscher Beteiligung, eine Vielzahl unterschiedlicher Vakzinekandidaten entwickelt und in den USA, Australien, verschiedenen Ländern Europas und zunehmend auch in Entwicklungsländern klinisch getestet. Angesichts der auch in Deutschland anhaltenden Neuinfektionsrate sowie des katastrophalen Ausmaßes der Aids-Epidemie in vielen Teilen der Welt sind weitere Bemühungen um eine möglichst rasche Entwicklung und Verfügbarkeit einer wirksamen Vakzine dringend erforderlich.