Einleitung
Hepatitis-C-Virus(HCV)-Infektionen lassen sich durch antivirale Medikamente sehr effizient behandeln. Trotzdem ist davon auszugehen, dass erst die Entwicklung eines HCV-Impfstoffs die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) angestrebte Elimination des Virus sicherstellen kann. Die Notwendigkeit eines präventiven HCV-Impfstoffs wird bei der Betrachtung epidemiologischer Kennzahlen deutlich. Weltweit leben 71 Mio. Menschen mit einer HCV-Infektion [
1], hiervon leben 5,9 Mio. in der Europäischen Union, wobei es hier zwischen den einzelnen Ländern große Unterschiede in den Prävalenzen gibt [
2]. So liegt die HCV-Seroprävalenz in der Allgemeinbevölkerung in Italien bei 5,9 %, in Deutschland hingegen nur bei 0,4 % [
2].
Etwa 70 % der HCV-Infektionen heilen nicht spontan aus, sondern persistieren. Unterbleiben die Diagnose und eine Therapie, können schwere Spätfolgen auftreten und viele dieser Patienten entwickeln nach Jahrzehnten eine Leberzirrhose oder Leberkrebs. In Industrieländern werden Schätzungen zufolge 60 % der Leberzellkarzinome durch eine chronische Hepatitis C verursacht. In Europa wird bei 63 % der Lebertransplantationen als Indikation eine HCV-Infektion angegeben [
3]. Im Jahr 2019 starben weltweit etwa 290.000 Menschen an Hepatitis-C-bedingten Spätfolgen [
1].
Für das Erreichen der von der WHO angestrebten HCV-Elimination gibt es die Zielvorgabe, die HCV-Inzidenz bis 2030 um 80 % gegenüber der Inzidenz des Jahres 2015 zu senken (1,75 Mio. HCV-Neuinfektionen im Jahr 2015 [
4]). Dieses Ziel ist ohne einen wirksamen HCV-Impfstoff schwer erreichbar [
5]. Ein wichtiger Grund hierfür ist die ungebrochen hohe Rate an HCV-Neuinfektionen. Gründe hierfür sind beispielsweise die steigende Anzahl injizierender Drogenkonsumenten bedingt durch die anhaltende Opioidkrise in Nordamerika sowie durch nosokomiale Infektionen in Entwicklungs- und Schwellenländern. Im Jahr 2017 wurden 1,5 Mio. HCV-Patienten mit direkt wirkenden antiviralen Substanzen behandelt, im gleichen Jahr gab es jedoch 1,6 Mio. Neuinfektionen [
6].
Im Jahr 2019 haben sich weltweit 1,5 Mio. Menschen neu mit HCV infiziert, es ist somit kein wesentlicher Rückgang bei den Neuinfektionen zu verzeichnen [
1]. Nach Schätzungen der WHO waren im Jahr 2019 nur 21 % aller HCV-positiven Patienten diagnostiziert und in dieser Gruppe haben 63 % eine Behandlung mit antiviralen Substanzen erhalten [
1]. Während der COVID-19-Krise war der Zugang zur HCV-Diagnostik und -Behandlung für viele Patienten weltweit stark eingeschränkt. Aufgrund dessen ist davon auszugehen, dass es zu einem Anstieg der HCV-Prävalenz kommen wird [
1,
7].
Die HCV-Infektionen sind in der Bevölkerung ungleich verteilt. HCV ist hyperendemisch in der Gruppe der injizierenden Drogenkonsumenten; hier liegt die HCV-Seroprävalenz in Deutschland bei 68 % und in 25 weiteren Ländern zwischen 60 % und 80 % [
8,
9]. Bei Männern, die Sex mit Männern haben, liegt die Prävalenz einer HCV-Infektion bei 3,4 % [
10]. Einer HCV-Mikroelimination in diesen Bevölkerungsgruppen steht erschwerend gegenüber, dass sich erfolgreich therapierte Patienten erneut mit HCV infizieren können [
11]. Wenn Personen, die intravenösen Drogenkonsum praktizieren, eine erfolgreiche HCV-Therapie durchlaufen haben und weiterhin Drogen injizieren, beträgt die HCV-Reinfektionsrate nach 6 Monaten 12,6 % und nach 18 Monaten 17,1 % [
12]. Für die Sicherstellung eines Therapieerfolgs wäre der Einsatz eines präventiven Impfstoffs direkt im Anschluss an die Behandlung erforderlich. Für seronegative Personen mit intravenösem Drogenkonsum zeigen Modellierungsstudien einen signifikanten Impfeffekt, wenn bei hoher Impfquote ein Impfstoff mit 30 % Wirksamkeit verabreicht würde [
13,
14].
Direkt wirkende antivirale HCV-Medikamente sind hocheffektiv, jedoch kann trotz Heilung einer HCV-Infektion die Lebererkrankung fortschreiten und Leberkrebs entstehen [
15]. In der akuten Infektionsphase verläuft die HCV-Infektion in aller Regel mild und bleibt häufig unbemerkt. Deswegen wird eine Infektion vielfach erst erkannt, wenn bereits ein erheblicher Organschaden entstanden ist. Somit wäre die Prävention einer chronischen HCV-Infektion deren Behandlung deutlich vorzuziehen, da die Spätfolgen der chronischen Infektion vermieden würden. Ein HCV-Impfstoff, der zwar die akute Ansteckung nicht verhindert, aber wirksam chronische Infektionsverläufe abwendet, wäre bereits von hohem medizinischen und gesellschaftlichen Wert. Da schwere Leberschäden fast immer erst nach langjähriger HCV-Infektion auftreten, würde ein solcher Impfstoff die HCV-Morbidität und -Mortalität wesentlich senken.
Aufgrund seiner außerordentlichen Diversität und Wandlungsfähigkeit sowie verschiedener viraler Immunevasionsmechanismen ist HCV ein schwieriges Ziel für die Entwicklung eines Impfstoffes. Darüber hinaus bestehen Limitationen bei der Prüfung von Impfstoffkandidaten: Derzeit sind keine robusten Tiermodelle verfügbar, um den Impfschutz vor einer HCV-Ansteckung direkt zu überprüfen. Präzise Immunkorrelate für eine breit schützende Immunität sind nicht vollends etabliert. Darüber hinaus gestalten sich klinische Wirksamkeitsstudien schwierig, da die Virusübertragung vorwiegend bei Drogenkonsumenten auftritt und der Endpunkt für den Impferfolg (die Abwendung einer chronischen Infektion) einen langen Studienzyklus erfordert.
In diesem Übersichtsartikel werden die besonderen Herausforderungen bei der HCV-Impfstoffentwicklung aufgezeigt und die aktuellen Ansätze für die Entwicklung eines Impfstoffs dargestellt.
Qualifizierung von Impfstoffen in Zellkulturen, Tiermodellen und klinischen Studien
HCV hat ein sehr enges Wirtsspektrum, nur Menschen und Schimpansen können mit HCV infiziert werden. Obwohl das Schimpansenmodell zunächst für die HCV-Forschung zur Verfügung stand, wird es wegen ethischer Bedenken seit vielen Jahren nicht mehr eingesetzt. Somit steht die HCV-Impfstoffentwicklung vor der großen Herausforderung, kein aussagekräftiges, immunkompetentes Tiermodell für die präklinische Testung von Impfstoffkandidaten zu haben. Mäuse sind in der biomedizinischen Forschung von sehr hohem Nutzen, lassen sich jedoch nicht mit HCV infizieren. Leberchimäre Mäuse, die durch die Transplantation von humanem Lebergewebe für HCV empfänglich werden, haben sich für viele Fragestellungen in der HCV-Forschung als wertvolles Modell erwiesen [
28]. Für die Testung eines präventiven Impfstoffs sind sie jedoch nur bedingt nützlich, da sie immundefizient sind, um die Abstoßung des humanen Lebergewebes zu verhindern. Deswegen eignen sich diese komplizierten Tiere zwar für die Prüfung der Wirksamkeit von Antikörpern in Rahmen passiver Immunisierungsversuche; die Testung aktiver Impfstoffe, inklusive der Klärung der Frage, ob solche Impfansätze vor einer Virusansteckung schützen, ist in diesen Tieren jedoch nicht durchführbar. Vor diesem Hintergrund gibt es seit Langem Bemühungen, immunkompetente und für HCV-empfängliche Mausmodelle zu entwickeln [
29]. Die Erfolgsaussichten sind schwierig abzuschätzen und es bleibt abzuwarten, ob sich hierdurch neue Möglichkeiten für die
In-vivo-Testung von HCV-Impfstoffkandidaten ergeben.
Parallel wurden in den vergangenen Jahren vermehrt Anstrengungen unternommen, HCV-Surrogatmodelle zu entwickeln, welche auf tierpathogenen, HCV-verwandten
Hepaciviren beruhen [
30]. Das
Rodent Hepacivirus (RHV) wurde aus wild lebenden Ratten isoliert und löst in Laborversuchen akute und chronisch persistierende Infektionen bei Laborratten aus [
31]. Labormäuse können ebenfalls infiziert werden, kontrollieren die Infektion allerdings in der akuten Infektionsphase. Chronische Verläufe treten nur dann auf, wenn das Immunsystem der Mäuse unterdrückt wird. Diese interessanten Ergebnisse zeigen neue Optionen auf, die Immunabwehrmechanismen, welche vor hepaciviralen Infektionen schützen, aufzuklären. Wie hilfreich diese Modelle für die Qualifizierung von HCV-Impfstoffkandidaten sein werden, bleibt abzuwarten. Obwohl es viele Ähnlichkeiten zwischen RHV und HCV gibt, sind weitere Studien nötig, um die Vergleichbarkeit der viralen Persistenzmechanismen, Evasionsstrategien und der Mechanismen protektiver Immunität zu adressieren. Beispielsweise ist es unklar, ob RHV die entsprechenden Rattenhomologe der HCV-Eintrittsfaktoren nutzt und ob ähnliche Epitope die Virusneutralisierung durch Antikörper vermitteln. Zudem beläuft sich die Divergenz zwischen RHV und HCV im Bereich der viralen Strukturproteine auf 67–77 % auf Aminosäureebene [
32].
In Ermangelung eines immunkompetenten Tiermodells sind präklinische Tests mit HCV in Zellkultur von besonderer Bedeutung, um die Wirksamkeit von Impfstoffkandidaten abzuschätzen. In Zellkulturversuchen, die zahlreiche und divergente Virustypen einschließen, können die Potenz und das Ausmaß der Kreuzneutralisierung von impfstoffinduzierten Antikörpern unter kontrollierten Bedingungen gemessen werden. Ein Vergleich mit der Wirksamkeit von Antikörpern, die während natürlicher Infektionen im Menschen auftreten, kann hergestellt werden und bietet wichtige Orientierung. Diese Arbeiten können zwar nicht klären, welche Antikörpermengen verlässlich vor einer chronischen HCV-Infektion oder gar einer Ansteckung schützen, sie bieten jedoch wichtige relative Informationen über die Qualität einzelner Kandidaten und damit deren Potenzial für eine weitere Entwicklung als HCV-Impfstoff.
Leider werden weltweit recht unterschiedliche Zellkultur-Assays verwendet, um die Wirksamkeit von Antikörpern abzuschätzen [
33]. Hierbei kommen einerseits sogenannte HCV-Pseudoviren (HCVpp) und andererseits authentische, zellkulturabgeleitete Viren (HCVcc) zum Einsatz. Beide Modelle sind sehr gut geeignet, um die Wirkung von Antikörpern zu studieren. Allerdings erschwert die Nutzung verschiedener Testsysteme den Vergleich von Forschungsergebnissen unterschiedlicher Labore und damit eine rigorose Priorisierung von Impfstoffkandidaten. Demnach hat die Entwicklung standardisierter Tests für die Bewertung der Wirksamkeit von Antikörpern eine wichtige Bedeutung. Solche Testsysteme sollten die genetische und funktionelle Diversität von HCV berücksichtigen und erfordern deswegen breite vergleichende Untersuchungen mit zahlreichen Virustypen.
Solche Studien können zudem interessante Befunde über Erregereigenschaften erbringen: So hat eine vergleichende Analyse der Neutralisierung von 13 unterschiedlichen HCV-Typen durch mehr als 100 polyklonale Antikörperpräparationen von chronisch HCV-infizierten Patienten ergeben, dass sich diese Viren 6 funktionell ähnlichen Virusgruppen zuordnen lassen, welche bezüglich ihrer Interaktion mit neutralisierenden Antikörpern vergleichbare Eigenschaften haben [
34]. Die Virussequenzen waren hingegen nicht geeignet, diese Einteilung, die auf ähnlichen biologischen Eigenschaften beruht, zu treffen. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um zu klären, ob und wie viele weitere funktionell abgrenzbare „HCV-Biotypen“ es gibt, die sich hinsichtlich ihrer Interaktion mit polyklonalen Antikörpern unterscheiden. Das Spektrum von „Referenzviren“, welches diese 6 Biotypen umfasst, bietet sich als Testsystem für die Bewertung kreuzneutralisierender Antikörper an [
34].
Die standardisierte Nutzung von HCVpp- und/oder HCVcc-Neutralisierungstests gibt wesentliche Orientierung über die Wirksamkeit impfstoffinduzierter Antikörper. Diese
In-vitro-Assays können jedoch nicht klären, ob eine Ansteckung oder eine chronische Infektion sicher verhindert würden. Vor diesem Hintergrund und auch, weil die HCV-Infektion sehr gut behandelbar ist, wird neuerdings auch die Etablierung eines kontrollierten humanen HCV-Infektionsmodells diskutiert („controlled human infection model“; CHIM; [
35]). Sicher sind hier noch wichtige virologische, ethische und regulatorische Fragen zu lösen: Mit welchem Inokulum sollte infiziert werden, um eine natürliche Infektion zu simulieren? Wie kann dieses Inokulum standardisiert und sicher bereitgestellt werden? Welche Risiken gehen mit einer transienten Virusinfektion einher und gibt es Langzeitfolgen? Wie lange könnte man ethisch vertretbar den Studienzeitraum definieren, um sicher die Wirksamkeit des Impfstoffes abzuschätzen und gleichzeitig die Probanden nur möglichst kurz einer Infektion auszusetzen? Vorausgesetzt diese und weitere Fragen können im Einklang mit einer ethisch-rechtlichen Risiko-Nutzen-Abwägung geklärt werden, könnte die Verfügbarkeit eines humanen HCV-Infektionsmodells die klinische Prüfung von HCV-Impfstoffkandidaten erleichtern.
Strukturbasiertes Impfstoffdesign
In Fällen, in denen herkömmliche Impfstoffe keine oder nur eine unzureichende Immunreaktion hervorrufen, kann das Epitop konformationell eingegrenzt und dadurch stabilisiert werden, z. B. durch epitopfokussiertes Impfstoffdesign oder chemische Peptidmodifikation wie eine Zyklisierung. Eine solche Stabilisierung der Epitopkonformation kann die Antigenität verbessern. Überzeugende Ergebnisse entsprechender Studien bei ähnlichen Viren, wie dem respiratorischen Synzytialvirus (RSV; [
68]), dem Influenzavirus (IAV; [
69]) und dem humanen Immundefizienzvirus (HIV; [
70]), haben epitopfokussiertes Impfstoffdesign auch für HCV attraktiv werden lassen.
In einer der ersten Studien solcher Art wurden Neutralisationsepitope aus E1 (Aminosäuren 314–324) oder E2 (Aminosäuren 412–423) in einer von nAks erkannten Konformation auf sogenannte Trägerproteine („scaffolds“) transplantiert und diese dann als Immunogen verwendet [
71]. 3 E1- und 5 E2-Scaffolds binden die nAks IGH526 (E1) bzw. HCV1 [
71], leider liegen aber bislang keine Neutralisationsdaten für die unterschiedlichen Scaffolds vor.
In einer zweiten Studie wurde eine zyklische Variante eines Epitop-I-Peptids entwickelt, die peptidspezifische, aber zumeist nichtneutralisierende Aks in Mäusen induzierte [
43]. Analog dazu wurden in einer weiteren Studie 2 weitere strukturbasierte Immunogene getestet: Ein zyklisches Defensin und ein bivalentes Immunogen mit 2 Epitop-I-Kopien auf der E2-Oberfläche lösten bei Mäusen eine stärkere epitopspezifische Reaktion und eine höhere Neutralisierungseffizienz im Serum gegen homologe HCV-Infektion aus als das native Peptidepitop [
72]. Allerdings war die Neutralisation heterologer HCV-Stämme nur limitiert möglich.
In einem alternativen Ansatz wurde gezeigt, dass ein antiidiotypischer Ak, also ein Antikörper, dessen Paratop ein Neutralisierungsepitop nachahmt, eine robuste nAk-Antwort induziert [
73], was darauf hindeutet, dass solche strukturbasierten Strategien eine vielversprechende Alternative zur Entwicklung eines sicheren und effizienten B‑Zellimpfstoffs darstellen können.
Wie oben erwähnt, verbessert die Multimerisierung die humorale Immunantwort gegen bestimmte Antigene beträchtlich und ähnliche Strategien wurden daher auch im strukturbasierten Impfstoffdesign angewendet [
68,
74]. Auch für HCV wurde eine solche Multimerisierung mit dem epitopbasierten Scaffold-Design für E1 (aa314-324) und dem E2-Epitop I kombiniert, indem 24 Kopien dieser Scaffolds auf dem multivalenten, selbstassemblierenden Ferritin aus
Helicobacter pylori präsentiert wurden [
71].
Fazit
Hohe Diversität und ausgeprägte Wandlungsfähigkeit machen HCV zu einem schwierigen Erregerziel für die Entwicklung eines protektiven Impfstoffs. Trotz dieser Viruseigenschaften heilt die Infektion bei bis zu einem Drittel der virusexponierten Menschen aus. Dies zeigt, dass eine schützende Immunantwort gegen das Virus erreichbar ist. Ein präzises Verständnis der immunologischen Korrelate einer natürlichen Ausheilung wird wesentliche Orientierung für die Impfstoffentwicklung geben. Antikörper tragen sehr wahrscheinlich zur Ausheilung der HCV-Infektion in der akuten Infektionsphase bei [
75,
76]. Welche Ziele auf den Hüllproteinen in dieser entscheidenden Frühphase der Infektion durch Antikörper abgedeckt werden müssen, ist bisher allerdings im Detail nicht bekannt. Möglich, dass es sich vorwiegend um konservierte Epitope der CD81-Bindestelle handelt. Die Klärung dieser Frage könnte eine wichtige Bedeutung für die Entwicklung optimierter Antigene haben.
Bei SARS-CoV‑2 und bei RSV konnten auf Basis struktureller Informationen optimierte Hüllproteine gestaltet werden, welche eine stabilisierte Form des Präfusionskomplexes präsentieren und große Mengen neutralisierende Antikörper induzieren. Vielleicht erlauben umfassendere strukturelle Informationen über den HCV-Hüllproteinkomplex in Zukunft eine ähnliche Optimierung der Hüllproteine, welche gezielt die Immunogenität der konservierten Hüllproteinepitope verstärkt.
Zahlreiche Studien belegen, dass robuste, multispezifische T‑Zellantworten mit einer natürlichen Ausheilung der Infektion korrelieren [
76,
77]. Vermutlich können sowohl Antikörper als auch zytotoxische T‑Zellen für sich genommen eine schützende Wirkung entfalten und sehr wahrscheinlich ist der Schutz am größten, wenn gleichzeitig beide Arme der adaptiven Immunantwort wirksam sind. Allerdings variieren wichtige T‑Zellepitope zwischen den Virustypen und es ist derzeit nicht klar, welche T‑Zellepitope besonders breit schützen. Auch in diesem Bereich benötigen wir mehr Informationen über die Determinanten einer kreuzprotektiven Immunität bei HCV. Zukünftige Studien müssen klären, ob beispielsweise eine besondere Auswahl von Epitopen weniger besonderer Virustypen oder andererseits viele Sequenzvarianten eines Epitops einen breiten T‑Zellschutz aufbauen. Die jüngsten Durchbrüche bei der Entwicklung und dem Einsatz mRNA-basierter Impfstoffe geben sicherlich wesentliche und nachhaltige Impulse auch für die HCV-Impfstoffforschung. Unabhängig davon, ob diese Verabreichungsform bei HCV besondere immunologische Vorteile bietet, sollte alleine die große Flexibilität der Plattform die vergleichende Analyse neuer Impfstoffkandidaten wesentlich beschleunigen und die Forschung voranbringen.
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