Improved vaccination strategies against emerging zoonotic coronaviruses using MVA vector technology

In den letzten Jahrzehnten treten zunehmend zoonotische humane Coronaviren im Menschen auf, welche durch erhöhte Sterblichkeitsraten charakterisiert sind. Dazu gehören insbesondere die beta-Coronaviren MERS‑CoV und SARS‑CoV‑2, die beide aerogen übertragen werden und beim Menschen tödliche Erkrankungen mit primärer Manifestation in den Atemwegen hervorrufen können. Die aktuelle COVID‑19 Pandemie legt dabei sehr deutlich offen, welche wirtschaftlichen, sozialen und gesundheitlichen Auswirkungen ein derartiger Ausbruch mit sich führen kann. Um eine solche Bedrohung für die menschliche Bevölkerung zu minimieren, hat sich die Impfung als die wirksamste Maßnahme zur Bekämpfung viraler Krankheitserreger erwiesen. Während es bereits lizensierte Impfstoffe gegen SARS‑CoV‑2 gibt, fehlen etablierte Impfstrategien gegen MERS‑CoV noch immer. Zudem steht die Impfstoffentwicklung gegen Coronaviren immer neueren Herausforderungen gegenüber. So zeichnet sich diese Virusfamilie durch eine hohe Mutationsrate mit daraus resultierender Abnahme der Wirksamkeit bereits existierender Impfstoffe aus. Außerdem erzielen bereits entwickelte Impfstrategien häufig keine ausreichende lokale Immunität des Respirationstraktes sowie keine langanhaltende Immunantwort, sodass sich eindringende Coronaviren trotz Impfung vermehren und ausbreiten können. Hinzu kommt noch, dass viele der etablierten Impfstoffe Nebeneffekte bei der Anwendung aufweisen. Um derartigen Entwicklungen entgegenzuwirken, war es das Ziel dieser Arbeit, zur Entwicklung von verbesserten Impfstrategien gegen zoonotische Coronaviren beizutragen. Als Grundlage haben wir dabei die gut etablierte MVA-basierte Impftechnologie verwendet, welche sich durch hohe Sicherheit in der Anwendung und durch eine umfassende immunogene Wirkung auszeichnet. Um nun eine ausreichende Wirksamkeit des Impfstoffes zu erzielen, müssen sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Applikation des Impfstoffes die relevanten Eigenschaften des zu Grunde liegenden Virus berücksichtigt werden, damit letztlich schützende Immunantworten an der geeigneten Stelle im geeigneten Organismus ausgelöst werden. Wir haben in diesem Zusammenhang zunächst den Impfstoffkandidaten gegen SARS‑CoV‑2 strukturell modifiziert. Das Spike Protein von SARS‑CoV‑2, welches als Impfantigen von dem rekombinanten MVA exprimiert wird, wurde durch genetische Modifikation stabilisiert und konnte damit verstärkte humorale Immunantworten gegen SARS‑CoV‑2 aktivieren (Kapitel 5.1). Da humane Coronaviren klassische respiratorische Erreger sind, treten diese primär über den oberen Atemtrakt in den Organismus ein. Eine hier vorliegende lokale Immunität kann dabei den Erreger erfolgreich bekämpfen. Wir haben deshalb den MVA-basierten Impfstoff gegen SARS‑CoV‑2 in intranasalen Impfschemata getestet und konnten neben der systemischen eine potente mukosale Immunität des Respirationstraktes nachweisen, die im Hamstermodell verbesserten Schutz vor der SARS‑CoV‑2 Infektion geliefert hat (Kapitel 5.2). Abschließend haben wir uns anhand des analog hergestellten Impfstoffes gegen MERS‑CoV mit der Zielpopulation der Impfung auseinandergesetzt. Anders als SARS‑CoV‑2, wo das Virus mittlerweile primär von Mensch zu Mensch übertragen wird, wurde bei MERS‑CoV das Dromedarkamel als natürliches Erregerreservoir identifiziert. Um die anhaltenden Infektionen innerhalb der Kamelpopulation und damit die Virusübertragung von Kamelen auf Menschen zu reduzieren, haben wir den MVA-basierten Impfstoff gegen MERS‑CoV im Kamel in einer Feldstudie getestet und konnten damit spezifische Immunantworten in dem Tiermodell nachweisen. Da vor allem T Zellen für die schnelle Bekämpfung von viralen Infektionen wichtig sind und bislang aber weniger Beachtung fanden, haben wir in diesem Teil einen Kamel-spezifischen ELISpot etabliert, mit welchem wir dann die entscheidenden T Zell Antworten nach erfolgter Impfung erfolgreich analysieren konnten (Kapitel 5.3).