Wie Impfstoffe wirken: von den Kuhpocken bis zur mRNA

Was ein Impfstoff ist

Ein Impfstoff ist ein biologisches Präparat, das den Körper darauf trainiert, sich gegen eine bestimmte Krankheit zu verteidigen, noch bevor er dem echten Erreger begegnet. Ärzte nennen den Schutz, den er bietet, aktive erworbene Immunität: aktiv, weil das körpereigene Immunsystem die Arbeit leistet, und erworben, weil der Schutz im Laufe des Lebens erlernt und nicht bei der Geburt vererbt wird.

Die meisten Impfstoffe enthalten etwas, das einem krankheitserregenden Mikroorganismus ähnelt, ohne die vollständige Krankheit auslösen zu können. Das kann eine abgeschwächte oder abgetötete Form der Mikrobe sein, eine unschädlich gemachte Version eines von ihr gebildeten Giftstoffs, ein einzelnes Protein von ihrer Oberfläche oder eine genetische Bauanleitung, mit der die körpereigenen Zellen ein solches Protein für kurze Zeit herstellen. Das Immunsystem behandelt diesen harmlosen Doppelgänger als Bedrohung, zerstört ihn und – das ist das Wichtigste – merkt ihn sich. Taucht später der echte Erreger auf, erkennt der Körper ihn schnell und wehrt ihn ab, oft noch bevor Symptome entstehen.

Die meisten Impfstoffe dienen der Vorbeugung gegen Infektionskrankheiten, die von Viren und Bakterien verursacht werden, etwa Masern, Kinderlähmung, Wundstarrkrampf oder Grippe. Manche schützen auch vor Krebs: Der Impfstoff gegen humane Papillomviren (HPV) verhindert Infektionen, die zu Gebärmutterhalskrebs führen können, und die Hepatitis-B-Impfung senkt das Risiko für eine Form von Leberkrebs. Außerdem entwickeln Forscher therapeutische Krebsimpfstoffe, die dem Immunsystem helfen sollen, bereits bestehende Tumoren anzugreifen.

Wie Impfstoffe das Immunsystem trainieren

Um Impfstoffe zu verstehen, hilft es zu wissen, wie das Immunsystem mit einem neuen Eindringling umgeht. Jeder Erreger trägt auf seiner Oberfläche Moleküle, oft Proteine, die der Körper als fremd erkennen kann. Diese Moleküle heißen Antigene. Trifft das Immunsystem auf ein unbekanntes Antigen, startet es eine Abwehrreaktion, die mehrere Tage braucht, um in Gang zu kommen. Diese Verzögerung ist der Grund, warum eine erste Infektion mit einer neuen Krankheit einen Menschen sehr krank machen kann.

Die wichtigsten Akteure

• B-Zellen bilden Antikörper, Y-förmige Proteine, die sich an ein bestimmtes Antigen heften. Antikörper können ein Virus daran hindern, in Zellen einzudringen, oder Bakterien zur Zerstörung markieren.
• T-Helferzellen koordinieren die Abwehr und helfen den B-Zellen, bessere Antikörper herzustellen.
• Killer-T-Zellen (zytotoxische T-Zellen) spüren körpereigene Zellen auf, die von einem Virus befallen sind, und zerstören sie.
• Gedächtniszellen sind langlebige B- und T-Zellen, die nach dem Ende der Infektion zurückbleiben. Sie sind das eigentliche Ziel der Impfung.

Ein Impfstoff inszeniert eine Generalprobe. Weil das Antigen, das er liefert, nicht die volle Krankheit auslösen kann, hat der Körper Zeit, die langsame erste Abwehrreaktion gefahrlos zu durchlaufen. Die zurückbleibenden Gedächtniszellen sorgen dafür, dass eine spätere Begegnung mit dem echten Erreger eine viel schnellere und stärkere Reaktion auslöst. Bei vielen Krankheiten ist das der Unterschied zwischen einer schweren Erkrankung und gar keiner.

Auffrischungen und Adjuvanzien

Manche Impfstoffe schützen nach einer oder zwei Dosen lebenslang, andere brauchen wiederholte Dosen, sogenannte Auffrischungsimpfungen, damit die Immunität stark bleibt. Der Schutz gegen Wundstarrkrampf etwa lässt mit den Jahren nach, deshalb wird Erwachsenen eine Auffrischung empfohlen. Viele Impfstoffe enthalten außerdem ein Adjuvans, einen Wirkverstärker, der die Immunantwort kräftiger macht. Aluminiumsalze werden seit vielen Jahrzehnten als Adjuvanzien eingesetzt. Sie ermöglichen es, dass ein Impfstoff schon mit einer kleineren Menge Antigen gut wirkt.

Von Pockenkrusten zu Kuhpocken: die Geburt der Impfung

Lange bevor jemand von der Existenz von Krankheitserregern wusste, bemerkten Menschen, dass Überlebende der Pocken fast nie ein zweites Mal daran erkrankten. Die Pocken gehörten zu den tödlichsten Krankheiten der Menschheitsgeschichte, und viele Gesellschaften versuchten, diese Beobachtung zu nutzen. Bei der sogenannten Variolation wurden gesunde Menschen absichtlich mit Material aus Pockenbläschen in Kontakt gebracht, meist über einen kleinen Schnitt in der Haut oder, in China, indem man pulverisierten Schorf in die Nase blies. Die Variolation verursachte meist eine mildere Erkrankung als die natürlichen Pocken, war aber riskant: Manche Menschen starben, und die Infizierten konnten die Krankheit auf andere übertragen.

Die Variolation wurde jahrhundertelang in Teilen Asiens und Afrikas sowie im Osmanischen Reich praktiziert. 1721 machte sie Lady Mary Wortley Montagu in England bekannt, die das Verfahren in Konstantinopel kennengelernt und ihre eigenen Kinder hatte impfen lassen. Im selben Jahr warb der Geistliche Cotton Mather während einer Pockenepidemie in Boston für die Methode, nachdem er von Onesimus davon erfahren hatte, einem versklavten Afrikaner, der beschrieb, wie man sie in seiner Heimat durchführte.

Den entscheidenden Schritt machte der englische Landarzt Edward Jenner. Bauern erzählten schon lange, dass Melkerinnen, die sich mit den Kuhpocken angesteckt hatten, einer milden Krankheit, die man sich bei Kühen holte, keine Pocken bekamen. 1796 prüfte Jenner diese Vorstellung. Er entnahm Material aus einer Kuhpockenpustel an der Hand der Melkerin Sarah Nelmes und brachte es in einen kleinen Schnitt am Arm von James Phipps, dem achtjährigen Sohn seines Gärtners. Später setzte er den Jungen Pockenmaterial aus, und der Junge erkrankte nicht. Jenners Methode war weit sicherer als die Variolation und verbreitete sich rasch in Europa und darüber hinaus.

Das Wort Vakzine stammt vom lateinischen vacca, Kuh, und erinnert an die Kuhpocken-Ursprünge der Methode. Später schlug der französische Wissenschaftler Louis Pasteur vor, die Begriffe Vakzine und Vakzination zu Ehren von Jenners Arbeit für alle derartigen vorbeugenden Behandlungen zu verwenden.

Pasteur und das Zeitalter der Labor-Impfstoffe

Jenner hatte eine glückliche natürliche Abkürzung gefunden: eine verwandte, mildere Krankheit. Louis Pasteur zeigte im späten 19. Jahrhundert, dass Wissenschaftler Erreger gezielt abschwächen konnten. Bei Versuchen mit der Hühnercholera stellte sein Team fest, dass Bakterien aus alten Kulturen einen Großteil ihrer krankmachenden Kraft verloren hatten, Hühner aber dennoch vor frischen, gefährlichen Bakterien schützten. Pasteur erkannte, dass das Abschwächen, die Attenuierung, von Mikroben im Labor ein allgemeines Verfahren war.

Er übertrug die Idee auf den Milzbrand, eine Krankheit, an der Nutztiere starben, und führte 1881 in einem berühmten öffentlichen Experiment mit Schafen einen Milzbrandimpfstoff vor. 1885 behandelten er und seine Kollegen Joseph Meister, einen Jungen, der von einem tollwütigen Hund gebissen worden war, mit einer Reihe von Injektionen eines abgeschwächten Tollwutpräparats. Der Junge überlebte, und dieser Erfolg machte Pasteur weltberühmt. Tollwut hat eine ungewöhnlich lange Inkubationszeit, deshalb kann ein Impfstoff, der nach einem Biss gegeben wird, den Ausbruch der Krankheit noch verhindern.

Im 20. Jahrhundert folgten Impfstoffe gegen Diphtherie, Wundstarrkrampf, Keuchhusten, Tuberkulose, Gelbfieber, Grippe, Kinderlähmung, Masern, Mumps, Röteln und viele andere Krankheiten. Die Polio-Impfstoffe von Jonas Salk (ein gespritzter, inaktivierter Impfstoff, eingeführt 1955) und Albert Sabin (ein oraler Lebendimpfstoff, der als Tropfen verabreicht wird) verwandelten eine Krankheit, die jedes Jahr viele Tausend Kinder gelähmt hatte, in eine, die heute kurz vor der Ausrottung steht.

Die wichtigsten Arten von Impfstoffen

Alle Impfstoffe haben ein gemeinsames Ziel – dem Immunsystem eine sichere Version eines Antigens zu präsentieren –, doch sie erreichen es auf unterschiedlichen Wegen.

1. Lebendimpfstoffe enthalten einen lebenden, aber abgeschwächten Erreger, der sich ein wenig vermehren kann, ohne eine schwere Krankheit auszulösen. Weil sie eine natürliche Infektion sehr genau nachahmen, erzeugen sie oft eine starke, lang anhaltende Immunität. Beispiele sind der Impfstoff gegen Masern, Mumps und Röteln (MMR) und der Gelbfieberimpfstoff. Menschen mit stark geschwächtem Immunsystem erhalten sie in der Regel nicht.
2. Inaktivierte Impfstoffe enthalten Erreger, die mit Hitze oder Chemikalien abgetötet wurden. Sie können sich nicht vermehren und erfordern deshalb oft mehrere Dosen. Der gespritzte Polio-Impfstoff und Tollwutimpfstoffe sind Beispiele dafür.
3. Untereinheiten-, rekombinante und Proteinimpfstoffe verwenden nur ausgewählte Teile eines Erregers, oft ein Oberflächenprotein. Der Hepatitis-B-Impfstoff gehörte zu den ersten gentechnisch hergestellten Impfstoffen: Hefezellen produzieren dabei das Virusprotein. Der HPV-Impfstoff nutzt Proteine, die sich zu leeren, virusähnlichen Hüllen ohne Erbgut zusammenfügen.
4. Toxoidimpfstoffe schützen vor Krankheiten, bei denen der Hauptschaden durch ein von Bakterien gebildetes Gift entsteht. Das Gift wird chemisch unschädlich gemacht, sodass es dem Körper nicht schaden kann, dem Immunsystem aber trotzdem beibringt, es zu neutralisieren. So funktionieren die Impfstoffe gegen Wundstarrkrampf und Diphtherie.
5. Konjugatimpfstoffe koppeln Zuckermoleküle aus der Außenhülle eines Bakteriums an ein Trägerprotein. Das Immunsystem kleiner Kinder reagiert auf solche Zucker allein nur schwach, und die Verbindung mit einem Protein löst dieses Problem. Impfstoffe gegen Haemophilus influenzae Typ b (Hib), Pneumokokken und Meningokokken sind Konjugatimpfstoffe.
6. Vektorimpfstoffe nutzen ein harmloses Virus als Transportmittel, um die genetische Bauanleitung für ein Antigen in die Zellen zu bringen. Einige COVID-19-Impfstoffe und ein Impfstoff gegen Ebola beruhen auf diesem Prinzip.
7. mRNA-Impfstoffe liefern ein Stück Boten-RNA, verpackt in winzige Fettpartikel. Die Zellen lesen die Anleitung, stellen das Antigen für kurze Zeit her und bauen die mRNA dann ab. Die mRNA gelangt nie in den Zellkern und verändert die DNA eines Menschen nicht.

Der Durchbruch der mRNA

Wissenschaftler arbeiteten jahrzehntelang an der Idee von mRNA-Impfstoffen, doch frühe Versionen lösten unerwünschte Entzündungen aus und zerfielen zu leicht. Eine Schlüsselentdeckung gelang der aus Ungarn stammenden Biochemikerin Katalin Karikó und dem US-amerikanischen Immunologen Drew Weissman: Sie fanden heraus, dass eine leichte Veränderung der Bausteine der mRNA es ihr ermöglicht, in Zellen zu gelangen, ohne eine schädliche Entzündungsreaktion auszulösen. Ihre Arbeit machte zusammen mit Fortschritten bei der Verpackung von mRNA in Lipid-Nanopartikeln die mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 möglich.

Als die COVID-19-Pandemie begann, wurden diese Impfstoffe innerhalb von etwa einem Jahr entwickelt, in großen klinischen Studien getestet und zugelassen – weit schneller als jeder Impfstoff zuvor. Das Tempo verdankte sich jahrelanger Vorarbeit, sehr großen Studien, in denen verschiedene Phasen parallel liefen, und Regierungen, die die Produktion finanzierten, bevor die Ergebnisse vorlagen – nicht dem Überspringen von Sicherheitsschritten. 2023 erhielten Karikó und Weissman für ihre Entdeckungen den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Weil sich ein mRNA-Impfstoff einfach durch Änderung der genetischen Sequenz neu gestalten lässt, testen Forscher die Technologie inzwischen gegen andere Infektionen und gegen Krebs.

Herdenimmunität: Schutz, der sich ausbreitet

Impfstoffe schützen nicht nur die Person, die sie erhält. Sind genügend Menschen in einer Gemeinschaft immun, findet ein Erreger nicht mehr genug neue Wirte, um sich weiter auszubreiten, und Ausbrüche ebben ab. Diesen Effekt nennt man Herdenimmunität oder Gemeinschaftsschutz. Er schützt Menschen, die nicht geimpft werden können, etwa Neugeborene, manche schwer kranke Menschen und Personen, deren Immunsystem nicht gut auf Impfstoffe anspricht.

Wie groß der Anteil der Immunen sein muss, hängt davon ab, wie ansteckend eine Krankheit ist. Masern gehören zu den ansteckendsten bekannten Krankheiten, deshalb ist eine Impfquote von etwa 95 Prozent nötig, um Ausbrüche zu verhindern. Sinkt die Quote, selbst in einer einzelnen Stadt oder Schule, können die Masern schnell zurückkehren.

Wichtige Erfolge in Zahlen

• Die Pocken töteten allein im 20. Jahrhundert Hunderte Millionen Menschen. Eine weltweite Impfkampagne unter Leitung der Weltgesundheitsorganisation (WHO) spürte die letzten Ausbrüche auf und dämmte sie ein, und 1980 erklärte die Weltgesundheitsversammlung die Pocken für ausgerottet. Es war die erste menschliche Krankheit, die jemals vom Planeten getilgt wurde.
• Die Rinderpest, eine verheerende Krankheit von Rindern, wurde 2011 für ausgerottet erklärt – die zweite vollständig beseitigte Krankheit, ebenfalls dank Impfungen.
• Die Zahl der Polio-Fälle ist seit dem Start einer weltweiten Ausrottungsinitiative im Jahr 1988 um mehr als 99 Prozent gesunken, und das Wildpoliovirus hält sich nur noch in sehr wenigen Ländern.
• Die WHO startete 1974 ihr Erweitertes Impfprogramm (Expanded Programme on Immunization), um grundlegende Kinderimpfungen in jedes Land zu bringen. Heute verhindern Impfstoffe Schätzungen zufolge jedes Jahr mehrere Millionen Todesfälle.

Wie die Sicherheit von Impfstoffen geprüft wird

Sicherheit und Wirksamkeit von Impfstoffen gehören zu den am gründlichsten untersuchten Themen der Medizin. Bevor ein Impfstoff zugelassen wird, durchläuft er Laborstudien und dann klinische Studien in mehreren Phasen: zuerst kleine Gruppen von Freiwilligen, dann Hunderte und oft Zehntausende Menschen, wobei die Ergebnisse mit einer Gruppe verglichen werden, die den Impfstoff nicht erhalten hat. Die Zulassungsbehörden prüfen die Daten, bevor sie den Einsatz des Impfstoffs erlauben.

Die Überwachung geht nach der Zulassung weiter. Gesundheitsbehörden betreiben Meldesysteme und große Studien, die nach seltenen Nebenwirkungen suchen, die erst sichtbar werden, wenn Millionen Menschen geimpft sind. Die häufigsten Reaktionen sind mild und kurzlebig: ein schmerzender Arm, leichtes Fieber oder Müdigkeit für ein oder zwei Tage – Zeichen dafür, dass das Immunsystem reagiert. Schwere allergische Reaktionen sind sehr selten, deshalb wird man nach einer Impfung meist gebeten, noch ein paar Minuten zu warten.

Impfstoffe waren auch Ziel von Falschinformationen. Ein Fachartikel von 1998, der einen Zusammenhang zwischen dem MMR-Impfstoff und Autismus behauptete, erwies sich als Betrug und wurde zurückgezogen, und sein Hauptautor verlor seine ärztliche Zulassung. Zahlreiche große Studien mit Millionen von Kindern haben keinen solchen Zusammenhang gefunden. Dennoch trug die von dem Artikel geschürte Angst zu sinkenden Impfquoten und zu Masernausbrüchen in mehreren Ländern bei.

Wenig bekannte Fakten über Impfstoffe

• Das Virus im modernen Pockenimpfstoff heißt Vaccinia. Genetische Untersuchungen zeigen, dass es mit den Kuhpocken verwandt, aber nicht mit ihnen identisch ist, und seine genaue Herkunft ist noch umstritten.
• Viele Grippeimpfstoffe werden noch immer in Hühnereiern gezüchtet, weshalb Menschen mit schwerer Eiallergie früher zur Vorsicht geraten wurde. Neuere Verfahren nutzen stattdessen Zellkulturen.
• Grippeimpfstoffe werden regelmäßig angepasst, weil sich das Influenzavirus ständig verändert. Experten der WHO empfehlen zweimal im Jahr eine neue Zusammensetzung der Virusstämme, einmal für die Nordhalbkugel und einmal für die Südhalbkugel.
• Nicht jeder Impfstoff ist eine Spritze. Es gibt Schluckimpfstoffe gegen Kinderlähmung, Rotaviren und Cholera, und eine Art von Grippeimpfstoff wird in die Nase gesprüht.
• Viele Impfstoffe müssen vom Werk bis zur Praxis kühl gelagert werden, in der Regel zwischen 2 und 8 °C. Diese Kette aus Kühlschränken, Kühlboxen und Gefriergeräten nennt man Kühlkette, und sie in abgelegenen Gegenden aufrechtzuerhalten, ist eine der größten Herausforderungen weltweiter Impfprogramme.
• Impfstoffe schützen auch Tiere. In Teilen Europas halfen mit Impfstoff gefüllte Köder, die aus Flugzeugen für wilde Füchse abgeworfen wurden, die Fuchstollwut in mehreren Ländern zu beseitigen.

Warum Impfstoffe weiterhin wichtig sind

Viele Krankheiten, die einst Krankenhäuser füllten, wie Diphtherie, Keuchhusten und Masern, sind dort selten geworden, wo die Impfquoten hoch sind. Weil heute nur wenige Menschen diese Krankheiten selbst erlebt haben, vergisst man leicht, wie gefährlich sie waren. Die Erreger sind jedoch nicht verschwunden und können immer dann zurückkehren, wenn die Immunität in einer Bevölkerung nachlässt.

Die Forschung an Impfstoffen gegen Krankheiten, denen man noch immer schwer vorbeugen kann, geht weiter, darunter Malaria, Tuberkulose und HIV. 2021 empfahl die WHO den ersten Malariaimpfstoff für den breiten Einsatz bei Kindern in Regionen, in denen die Krankheit häufig ist – ein Erfolg, der Jahrzehnte an Arbeit kostete, weil der Malariaerreger weit komplexer ist als ein Virus. Von Jenners Experiment mit den Kuhpocken einer Melkerin bis zu Impfstoffen, die am Computer anhand eines genetischen Codes entworfen werden, ist die Idee dieselbe geblieben: den Körper im Voraus zu schulen, damit er bereit ist, wenn die echte Gefahr kommt.