Das Prinzip der mRNA-Impfung ist ebenso einfach wie vielversprechend: Man bringt die Boten-RNA in eine Zelle und lässt sie dort ein Protein herstellen, das dann als Antigen dem Immunsystem präsentiert wird. Darauf produziert das Immunsystem die Antikörper. Bei Sars-CoV-2 verwenden alle Impfstoffhersteller ein Stück der DNA des sogenannten Spike-Proteins, mit dem das Virus an die Zellen andockt.

Das Prinzip ist zwar einfach, aber der Weg dahin trotzdem vielfältig. Dies erklärt unter anderem, warum der Moderna-Wirkstoff 100 Mikrogramm Impfstoff pro Dosis braucht, der von BionTech-Pfizer 30 Mikrogramm und der vorderhand gescheiterte von CureVac nur 12 Mikrogramm. Je geringer die Menge Impfstoff ist, desto wirksamer muss er gemacht werden. Moderna bringen den hohen Infektionsschutz von 94 Prozent mit 100 Mikrogramm. Pfizer/BionTech schaffte es, mit 30 Mikrogramm eine Wirksamkeit von 95 Prozent zu erzielen. Der mit 47 Prozent an der 50-Prozent-Hürde gescheiterte Impfstoff von CureVac setzt auf 12 Mikrogramm. Das hat mit dem Design der Impfstoff-Moleküle zusammen.

Die mRNA selbst ist ein fadenförmiges Molekül. In der Mitte liegt die Bauanleitung für das Protein. Sie wird von den Ribosomen, den Proteinfabriken der Zelle, abgelesen und in das Protein übersetzt. Davor und dahinter liegen UTR (untranslatierte Regionen). Das sind Abschnitte, die nicht kodieren, aber sie sind wichtig, dort können in der Zelle andere Proteine andocken, die für die Herstellung gebraucht werden. Und sie halten das mRNA-Molekül stabil. Vorne bekommt das Molekül eine «Kappe», sie sorgt dafür, dass die Bauanleitung in der richtigen Richtung abgelesen wird. Diese Abschnitte entscheiden ausserdem, ob die Zelle das Molekül als «menschlich» erkennt oder ob sie es als von einem Virus stammend identifiziert und eine Abwehrreaktion auslöst. Der «Schwanz» besteht aus dem Nukleosid Adenosin, je länger er ist, desto stabiler ist die mRNA.

Für die Impfstoff-Herstellung heisst das: Man nimmt ein Stück DNA, das für das S-Protein des Coronavirus kodiert. Ein Enzym, die RNA-Polymerase, macht eine RNA-Kopie und vervielfältigt sie. Dann hängt man an die Kopie eine «Kappe» und einen «Schwanz» und reinigt sie. Schliesslich muss man sie in Lipid-Nanopartikel verpacken. Das sind winzige Fettmoleküle, die das mRNA-Molekül schützen und dorthin transportieren, wo es gebraucht wird. Mittlerweile ist die Lipid-Nanopartikel-Technik der kanadischen Firma Acuitas Standard geworden. Alle Impfstoffhersteller haben mit dem Unternehmen Lizenzverträge.

Dieses «Verpacken» ist nicht nur bei den mRNA-Impfstoffen eine notwendige Prozedur, sondern bei allen Medikamenten. Der Wirkstoff funktioniert nur an einer bestimmten Stelle des Körpers. Die Verpackung dient dazu, ihn einigermassen unbeschädigt dorthin zu bringen, und sorgt dafür, dass er ausgepackt wird und wirken kann.

Das Spezielle bei der mRNA-Impfung ist, dass man – hat man es einmal geschafft, ein mRNA-Molekül in eine Zelle zu bringen – ein universelles Impfprinzip hat. Denn man kann nun jedes gewünschte Molekül auf diese Weise dorthin bringen, um die Zelle ein gewünschtes Protein synthetisieren zu lassen,

Entscheidend für die Wirkung des Impfstoffs ist, was in der Zelle passiert. Wie bringt man das Immunsystem dazu, optimal zu reagieren? «Optimal», würde heissen, möglichst viele Antikörper zu produzieren. Zwei Klippen gilt es zu meistern: Wie kriegen wir möglichst viel mRNA in die Zelle? Und: Wie kriegen wir die Zelle dazu, möglichst viel Proteine zu produzieren? Einerseits muss man die mRNA des Impfstoffs «tarnen», um die Immunabwehr der Zelle auszuschalten. Andererseits möchte man gerade diese Immunabwehr anstacheln.

Das erste Problem löste die ungarisch-Amerikanische Forscherin Katalin Karikó, die sich eigentlich das Ziel gesetzt hatte, die Informationsfunktion der mRNA zu nutzen, um Zellen erwünschte Proteine produzieren zu lassen. Sie identifizierte die «Wächter»-Proteine der Zelle und zusammen mit ihrem Kollegen Drew Weissmann von der Universität Pennsylvania erkannte sie, dass Viren ihrer RNA oft eine Art chemischen «Tarnumhang» umlegen, um diesen «Wächtern» zu entgehen. Man modifiziert die mRNA, indem man an die RNA-Bausteine chemische Anhängsel klebt, so auch bei den Impfstoffen von Moderna und BionTech/Pfizer. Manchmal unterstützen Modifikationen auch die Proteinsynthese, vielleicht machen die Modifikationen die Impfstoffe sogar wirksamer.

Um die Wirksamkeit zu erhöhen, kann man den Impfstoff selbst auch optimieren. Die Leute von CureVac machten viel Aufwand um das Design des Impfstoffs. Sie pröbelten an der kodierenden Sequenz herum, fügten neue Bausteine hinzu, um die Stabilität zu erhöhen. Dann versuchten sie die Abschnitte vor und hinter der Code-Sequenz zu optimieren und probierten verschiedene RNA-Abschnitte aus, welche die Übersetzung in Protein befördern sollten. Das führte zu verschiedenen Impfstoff-Kandidaten, die alle im Zellkultur- und Tierversuch getestet werden mussten.

Der Zeitverlust war das Eine. Das Andere waren unübersehbare Vorteile: die geringere Wirkstoffmenge und die bessere Haltbarkeit. CureVac hatte Erfahrung mit einem Tetanus-Impfstoff, bei dem bereits 1 Mikrogramm eine ausreichende Immunreaktion auslöste. Mit 12 Mikrogramm wäre der CureVac-Impfstoff gegenüber dem von Moderna (100 Mikrogramm) und BionTech/Pfizer (30 Mikrogramm) klar wirtschaftlicher. Dazu kommt, dass es auch weniger «Hüllmaterial» braucht. Und um den Vorteil zu sehen, den die Temperaturstabilität – es reicht ein normaler Kühlschrank – bietet, muss man kein Molekularbiologe sein.

Sascha Karberg: Der Mann, der das Impfen neu erfand. Ingmar Hoerr, CureVac und der Kampf gegen die Pandemie. Aufbau Verlag Berlin 2021.