14.02.2020 - Wellcome Trust Sanger Institute

Maßgeschneiderte Impfstoffe könnten die Raten schwerer bakterieller Erkrankungen fast halbieren

Innovative Studie weist den Weg zu einem wirksameren Impfstoffdesign

Neue Forschungen haben ergeben, dass die durch das Bakterium Streptococcus pneumoniae verursachten Krankheitsraten durch eine Änderung unseres Impfkonzepts erheblich reduziert werden könnten. Forscher des Wellcome Sanger Institute, der Simon Fraser University in Kanada und des Imperial College London kombinierten genomische Daten, Modelle der bakteriellen Evolution und prädiktive Modellierung, um zu ermitteln, wie Impfstoffe für bestimmte Altersgruppen, geografische Regionen und Gemeinschaften von Bakterien optimiert werden könnten.

Die Studie simulierte die Leistung von Impfstoffen im Laufe der Zeit, um das Risiko abzuschätzen, dass auf den Impfstoff abzielende Stämme durch andere potenziell gefährliche Stämme ersetzt werden. Durch diesen prädiktiven Modellansatz identifizierten die Forscher neue Impfstoffdesigns, die zur Verringerung der Gesamterkrankungsrate beitragen könnten.

S. pneumoniae findet sich häufig im hinteren Bereich der Nasenhöhle, wo sie normalerweise harmlos ist. Wenn sie jedoch in andere Körperteile wandert, kann sie schwere bakterielle Infektionen wie Lungenentzündung, Sepsis und Meningitis verursachen, die als invasive Pneumokokkenerkrankung (IPD) bezeichnet werden. Vor der Einführung der weit verbreiteten Impfung verursachte die IPD schätzungsweise 1,6 Millionen Todesfälle pro Jahr weltweit, wobei in vielen Ländern mit niedrigem oder mittlerem Einkommen höhere Erkrankungsraten zu verzeichnen waren. Kleinkinder und ältere Menschen sind am stärksten gefährdet.

Impfstoffe gegen Pneumokokken haben Millionen von Infektionen verhindert. Aber wie viele andere Bakterien ist S. pneumoniae mit Impfstoffen schwer zu bekämpfen, da die Infektion durch verschiedene Serotypen verursacht werden kann. Jeder Teil eines Impfstoffs schützt in der Regel gegen einen einzigen Serotyp, wobei der komplexeste Pneumokokken-Konjugatimpfstoff (PCV13) auf 13 Serotypen abzielt.

Da es weltweit etwa 100 S. pneumoniae-Serotypen gibt, variiert die Wirksamkeit des Impfstoffs zwischen den Ländern, je nachdem, welche Serotypen vorhanden sind. Wenn Serotypen durch einen bestimmten Impfstoff aus dem Verkehr gezogen werden, treten andere Serotypen von S. pneumoniae an ihre Stelle.

In dieser Studie optimierten Forscher des Wellcome Sanger Institute, der Simon Fraser University und des Imperial College London ein Computermodell, um die Wirkung von Impfstoffen, die auf verschiedene Serotypen-Kombinationen abzielen, annähernd zu bestimmen. Die Analyse der Wirksamkeit des Impfstoffs wurde dann anhand genomischer Daten von S. pneumoniae aus Massachusetts, USA, und dem Maela-Flüchtlingslager in Thailand durchgeführt.

Die Komplexität der Impfstoffe gegen S. pneumoniae bedeutet, dass viele Designs möglich sind, jedes mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Krankheit. In Maela zum Beispiel bedeutet das Vorhandensein von 64 S. pneumoniae-Serotypen, dass etwa 100 Billionen Impfstoffdesigns möglich sind. Aber es würde 19.000 Jahre dauern, sie alle zu simulieren, wobei die meisten suboptimal wären. Die Forscher entwickelten eine effizientere Methode, die es ermöglichte, aus den Billionen von Möglichkeiten die leistungsfähigsten Designs zu identifizieren.

Das Team entdeckte, dass die Raten der kindlichen IPD bei Maela tatsächlich reduziert werden konnten, indem Komponenten des PCV13-Impfstoffs weggelassen wurden, um bestimmte Serotypen zu erhalten, wodurch die Möglichkeit ihres Ersatzes durch hochinvasive Serotypen ausgeschlossen wurde. In Massachusetts hat sich ein Impfstoff, der auf 20 Serotypen abzielt, als wirksamer als der derzeitige PCV13 erwiesen.

Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, Impfprogramme auf bestimmte Bakteriengemeinschaften zuzuschneiden und Impfungen in verschiedenen Altersstufen in Betracht zu ziehen.

Dr. Nicholas Croucher vom MRC-Zentrum für globale Analyse von Infektionskrankheiten, Imperial College London, sagte: "Unsere Forschung zeigt, dass die besten Impfstoffdesigns stark von den in der Bevölkerung vorhandenen Bakterienstämmen abhängen, die von Land zu Land sehr unterschiedlich sind. Die besten Impfstoffdesigns hängen auch von der zu impfenden Altersgruppe ab. Diese Ideen werden entscheidend sein, um die Lehren aus der Einführung von Impfstoffen in Ländern mit hohem Einkommen auf die Bekämpfung der Krankheit dort zu übertragen, wo die Belastung am größten ist".

Die Impfung von Säuglingen betrifft auch die IPD bei Erwachsenen. Allerdings können sich die Trends bei der IPD zwischen Säuglingen und älteren Menschen im gleichen Land unterscheiden, wie kürzlich im Vereinigten Königreich zu beobachten war. Vielerorts erhalten ältere Erwachsene bereits einen Impfstoff gegen S. pneumoniae, der vor dem Impfstoff für Säuglinge entwickelt wurde. Die Studie ergab auch, dass die Krankheitsraten bei Erwachsenen um fast 50 Prozent gesenkt werden könnten, wenn die Impfstoffe für Erwachsene neu entwickelt würden, um die Impfstoffe für Säuglinge zu ergänzen.

Professorin Caroline Colijn von der Simon Fraser Universität und dem Wellcome Sanger Institut, sagte: "Dieser Ansatz zur Optimierung von Impfstoffen wird dazu beitragen, verschiedene Probleme anzugehen, wie z.B. invasive Krankheiten bei Säuglingen oder Erwachsenen und die Minimierung von Antibiotikaresistenzen in der Bevölkerung nach der Impfung. Ein solcher Ansatz ermöglicht es den politischen Entscheidungsträgern im Gesundheitswesen auch, die wahrscheinliche Wirksamkeit eines vorhandenen Impfstoffs für eine lokale Bevölkerung auf der Grundlage genomischer Überwachungsdaten zu bewerten.

Die Ergebnisse decken sich mit der wachsenden Besorgnis über die Bedrohung durch antimikrobielle Resistenz (AMR) gegen gängige Medikamente. S. pneumoniae-Infektionen sind manchmal gegen mehrere Antibiotika resistent und wurden von der WHO als eine vorrangige Bedrohung hervorgehoben. Diese Studie zeigte auf, wie Impfstoffe entwickelt werden können, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die S. pneumoniae einer Person gegen gängige Behandlungen resistent ist.

Professor Jukka Corander von der Universität Oslo, der Universität Helsinki und dem Wellcome Sanger Institute sagte dazu: "Mit der Leistungsfähigkeit der neuesten DNA-Sequenzierungstechnologie steuern wir auf eine Zukunft zu, in der eine groß angelegte genomische Überwachung der wichtigsten bakteriellen Krankheitserreger möglich ist. Der Ansatz, den wir in dieser Studie beschreiben, wird eine wichtige Rolle bei der Beschleunigung der zukünftigen Impfstoff-Entdeckung und -Konstruktion spielen, um die Krankheitsraten zu senken.

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