Die aktuellen COVID-19-Impfstoffe sollen eine Antikörperreaktion auf das SARS-CoV-2-Spike-Protein auslösen, das anfällig für Mutationen ist, die den Impfstoff im Laufe der Zeit weniger wirksam machen könnten. Stattdessen konzentrierten sich die Forscher der Penn State auf die T-Zelle und arbeiteten mit Evaxion Biotech an einer Studie zusammen, die als erste die Wirksamkeit eines durch künstliche Intelligenz generierten Impfstoffs in einem lebenden Virus-Challenge-Modell demonstrierte. Ein solcher Impfstoff könnte eine lang anhaltende Immunität gegen künftig auftretende Varianten bieten und als Modell für andere saisonale Viruserkrankungen wie die Grippe dienen.
In ihrer Studie forderten die Forscher Mäuse mit einer tödlichen Dosis von SARS-CoV-2 heraus und fanden heraus, dass 87,5 % der Mäuse, die mit dem T-Zell-basierten Impfstoff geimpft wurden, überlebten, während nur eine der Mäuse der Kontrollgruppe überlebte. Außerdem heilten alle geimpften Mäuse, die überlebten, die Infektion innerhalb von 14 Tagen nach der Herausforderung. Die Ergebnisse wurden am 11. April in Frontiers in Immunology veröffentlicht.
„Nach unserem Wissen ist diese Studie die erste, die in vivo zeigt [in a living organism] Schutz vor schwerem COVID-19 durch einen von KI entwickelten T-Zell-Impfstoff“, sagte Girish Kirimanjeswara, außerordentlicher Professor für Veterinär- und Biomedizin, Penn State. „Unser Impfstoff war äußerst wirksam bei der Verhinderung von schwerem COVID-19 bei Mäusen, und das kann er auch leicht skaliert werden, um es auch am Menschen zu testen. Diese Forschung ebnet auch den Weg für die mögliche schnelle Entwicklung neuartiger T-Zell-Impfstoffe gegen neu auftretende und saisonale Viruserkrankungen wie Influenza.”
Warum brauchen wir einen T-Zell-basierten COVID-19-Impfstoff, wenn die bereits verwendeten mRNA-Impfstoffe so wirksam sind?
Laut Kirimanjeswara steht das Spike-Protein des SARS-CoV-2-Virus unter starkem Selektionsdruck, was zu Mutationen führen kann, die die Entstehung neuer Varianten vorantreiben.
„Dies bedeutet, dass die Impfstoffhersteller weiterhin neue Impfstoffe entwickeln müssen, die auf neue Varianten abzielen, und die Menschen müssen diese neuen Impfstoffe weiterhin erhalten“, sagte er.
Anstatt auf das ständig mutierende Spike-Protein abzuzielen, entwickelte das Team von Evaxion Biotech einen Impfstoff, der 17 Epitope verschiedener Proteine von SARS-CoV-2 enthielt, die vom Immunsystem erkannt werden. Diese Epitope lösen bei einer breiten Auswahl an T-Zellen eine Immunantwort aus, wodurch eine nachhaltige Abdeckung zukünftiger Varianten sichergestellt wird.
„Das Virus müsste zu viele Mutationen durchlaufen, um dieser T-Zell-vermittelten Immunität zu entkommen, das ist also ein Vorteil“, sagte Kirimanjeswara. „Der zweite Vorteil ist, dass die T-Zell-vermittelte Immunität normalerweise lang anhält, sodass Sie keine wiederholten Auffrischungsdosen benötigen.“
Wenn T-Zellen so gut darin sind, sich an Fremdstoffe zu erinnern, warum wurden die COVID-19-Impfstoffe der ersten Generation dann entwickelt, um Reaktionen von Antikörpern hervorzurufen?
„Es ist schwieriger und dauert länger, einen auf T-Zellen basierenden Impfstoff herzustellen als einen auf Antikörpern“, sagte Kirimanjeswara. „Angesichts der Dringlichkeit, mit der wir einen Impfstoff zur Bekämpfung der COVID-19-Pandemie benötigten, ist es sinnvoll, dass die Impfstoffhersteller einen Antikörper-basierten Impfstoff entwickelt haben. Jetzt, da die Dringlichkeit vorbei ist, könnte ein T-Zell-basierter Impfstoff der zweiten Generation entwickelt werden effektiver und halten länger.”
Laut Co-Autor Anders Bundgaard Sørensen, Projektleiter bei Evaxion Biotech, entwickeln andere Biotechnologieunternehmen T-Zell-basierte Impfstoffe, aber der Impfstoff dieses Teams verwendet mehrere Arten künstlicher Intelligenz in einer Plattform namens RAVEN (Rapidly Adaptive Viral rEspoNse) zur Vorhersage ideale Ziele für Impfstoffe.
„RAVEN ist wirklich anpassungsfähig“, sagte Sørensen. „Wir müssen nicht auf die Ankunft eines neuen Virusstamms warten, um einen Impfstoff zu entwickeln. Stattdessen können wir im Voraus vorhersagen, was benötigt wird. Das ist etwas, was andere derzeit nicht tun.“
Sørensen merkte an: „Es ist viel einfacher, mit einem T-Zell-Impfstoff eine breite Abdeckung zu erreichen, da wir mehrere Epitope enthalten können, die auf verschiedene Proteine abzielen.“
Er fügte hinzu, dass die RAVEN-Plattform nicht nur zur Herstellung besserer COVID-19-Impfstoffe verwendet werden könnte, sondern auch zur Entwicklung besserer Grippeimpfstoffe.
„Oft wirken die entworfenen Influenza-Impfstoffe nur in 30-40 % der Fälle, sodass viele Menschen am Ende krank werden“, sagte er. „Da die Welt zunehmend integriert wird, wird dieses Problem immer größer. Unsere Plattform nutzt KI, um besser vorherzusagen, was benötigt wird.“
Sørensen merkte an, dass Evaxion von der Partnerschaft mit Kirimanjeswara und seinen Kollegen von Penn State profitiert habe, da sie über umfassendes Fachwissen in Tiermodellen für Infektionskrankheiten verfügten und die Universität ein BSL-3-Labor besitze, in dem sie das SARS-CoV-2-Virus sicher untersuchen könnten.
Er sagte: “Unsere Ergebnisse sind ein Beweis für die Leistungsfähigkeit von Partnerschaften zwischen Industrie und Universität.”
Andere Penn State-Autoren auf dem Papier sind Katherine Restori, Assistenz-Forschungsprofessorin; McKayla Nicol, Doktorandin; und Bhuvana Katkere, Assistenzprofessorin. Andere Evaxion Biotech-Autoren auf dem Papier sind Gry Persson, Projektmanager; Julie Hinchelli Emdrup, wissenschaftliche Mitarbeiterin; Sophie Schussek, Kompetenzmanagerin; Michael Schantz Klausen, Senior Associate; und Birgitte Rønø, wissenschaftliche Leiterin.
Der Innovationsfonds Dänemark unterstützte diese Forschung. Die Huck Institutes of Life Sciences und das College of Agricultural Sciences unterstützten die an der Penn State durchgeführten Studien.
Das Eva J. Pell Laboratory ist ein ABSL3-Labor (biologische Sicherheitsstufe drei) auf dem Campus der Penn State. Es handelt sich um eine in sich geschlossene, eigenständige Anlage, was bedeutet, dass alle Materialien, einschließlich Abfallprodukte, zur Erhöhung der Sicherheit vor Ort verwaltet werden. Das Labor wird von den National Institutes of Health und den Centers for Disease Control and Prevention inspiziert und ist für die Durchführung von Forschungen zu Infektionserregern zugelassen.
Gry Persson, Katherine H Restori, Julie Hincheli Emdrup, Sophie Schussek, Michael Schantz Klausen, McKayla J Nicol, Bhuvana Katkere, Birgitte Rønø, Girish Kirimanjeswara, Anders Bundgaard Sørensen.
DNA-Immunisierung mit in silico vorhergesagten T-Zell-Epitopen schützt vor tödlicher SARS-CoV-2-Infektion bei K18-hACE2-Mäusen.
Vorderseite. Immunol., Sec. Vaccines and Molecular Therapeutics, 2023. doi: 10.3389/fimmu.2023.1166546
