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Gesellschaft für Virologie |
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Hepatitis-B-Impfung: altbewährt, doch nicht perfekt (17.08.2010) |
Wolfram H. Gerlich und Dieter Glebe
Institut für Medizinische Virologie, Justus-Liebig-Universität Gießen
Seit fast 30 Jahren ist der Hepatitis B Impfstoff erhältlich. Weltweit sind über 600 Millionen Menschen mit dem gut verträglichen Impfstoff geimpft worden. Trotz des unbestreitbaren Erfolges dieser Impfung zeichnen sich zunehmend auch Lücken in der Schutzwirkung ab. Die seit 20 Jahren bekannten impfungsresistenten Fluchtmutanten sind möglicherweise doch ein größeres Problem als bislang vermutet und auch die verschiedenen Genotypen des Hepatitis B Virus verdienen mehr Beachtung. Klinisch stumme Impfdurchbrüche bei niedrigem Antikörperspiegel sind seit langem bekannt, wurden aber bislang für unbedeutsam gehalten. Gerade diese Impfdurchbrüche führen aber paradoxerweise dazu, dass die Impfung die Sicherheit von Bluttransfusionen bezüglich Hepatitis B nicht erhöht, sondern eher verringert. Diese Probleme und Wege zu ihrer Lösung werden im folgenden Beitrag behandelt.
Weitere Details zur Entdeckung des Hepatitis-B-Virus, zu seiner Struktur und zur Impfstoffentwicklung finden Sie in einem ausführlicheren Virusportrait: Hepatitis B und Impfstoffentwicklung
Genetische Variabilität des Hepatitis-B-Virus
Die genetische Variabilität der Erreger hat bislang die Entwicklung wirksamer Impfstoffe gegen AIDS (HIV) oder Hepatitis C verhindert. Bei HBV glaubte man bis vor kurzem, dass die Variabilität kein wesentliches Problem darstellt, da bei den frühen Schutzversuchen der Impfstoff auch gegen Infektion mit HBV eines anderen Genotyps schützte und Escape-Mutanten nur selten beobachtet wurden. Dies könnte sich aber in Zukunft ändern.
Genotypen. HBV kommt in mindestens neun Genotypen beim Menschen vor, die mit den Buchstaben A – I bezeichnet werden. Darüber hinaus gibt es Subgenotypen, z. B. A1-5. In Mitteleuropa und den USA herrscht A2 vor. Ergebnisse aus einer großen Studie an US Blutspendern lassen nun vermuten, dass der übliche Impfstoff, der vom Subgenotyp A2 abgeleitet ist, besser gegen das HBV des gleichen Subgenotyps schützt als gegen die anderen (Sub-) Genotypen. Nur einer von sechs okkult infizierten Spender mit früherer Hepatitis B-Impfung hatte A2, während unter den HBV-Trägern in den USA zu 80% A2 vorherrscht. Dieser eine Spender hatte die Impfung vor fast 30 Jahren erhalten und hatte gar kein Anti-HBs mehr, während bei den anderen die Impfung noch nicht so lange zurück lag und 5 noch Anti-HBs-Titer zwischen 11 und 96 IU/L hatten. Die Daten legen außerdem nahe, dass (wie bislang schon vermutet) 10 Internationale Einheiten pro Milliliter Serum (IE/ml) des durch den Impfstoff hervorgerufenen Antikörpers (Anti-HBs) komplett, also auch vor einer okkulten Infektion, mit HBV/A2 schützen. Bei Exposition mit anderen HBV-Genotypen, z. B. durch sexuellen Kontakt mit einem HBV-Träger, wird dagegen eine okkulte Infektion begünstigt, solange der Anti-HBs-Spiegel unter 100 IE/ml liegt. Leider haben nur 20 % der geimpften US Blutspender einen ausreichend hohen Spiegel, was für das Blutspendewesen neue, unerwartete Probleme aufwirft (1). Weltweit hat nur 1 % der 370 Millionen HBV-Träger Subgenotyp A2, die meisten haben Genotyp B, C und D. Es läge daher nahe, zu prüfen, ob mit Impfstoffen, die von den häufigeren Genotypen abgeleitet sind, ein besserer Schutz erzielbar wäre.
Escape-Mutanten nach Impfung. Ein weiteres Problem ist das Auftreten von Escape-Mutationen. Die erste Mutation dieser Art, die 1990 von William Carman bei geimpften, Anti-HBs-positiven Kindern HBV-infizierter Mütter gefunden wurde, war der Austausch der Aminosäure Glycin in Position 145 des HBsAg gegen Arginin (kurz: G145R). Durch die Mutation konnte der vom Impfstoff induzierte Antikörper nicht mehr an das mutierte Virus binden, sodass die Mutante sich ungehemmt vermehren konnte. Folgeuntersuchungen an geimpften Schimpansen legten aber nahe, dass diese Mutante kein Problem darstellt, wenn die Infektion erst nach erfolgreicher Impfung stattfindet. Bei der oben erwähnten Studie an US-Blutspendern wurde jedoch auch ein Fall beobachtet, wo selektiv die G145R-Mutante, und nicht die bei dem infizierten Sexualpartner vorherrschende Normvariante des Genotyps C auf den geimpften Spender übertragen wurde. Inzwischen sind viele weitere Escape-Mutanten im HBsAg beschrieben worden und zwar nicht nur bei Probanden, die mutmaßlich bereits vor Impfung infiziert waren.
Einfluss der HBV-Therapie. HBsAg-Mutanten entstehen gehäuft bei Patienten mit chronischer Hepatitis B, die mit Inhibitoren der reversen Transkriptase des HBV behandelt werden. HBV zeigt die Besonderheit, dass der Genomabschnitt, der die reverse Transkriptase kodiert, gleichzeitig auch das HBsAg kodiert. Unglücklicherweise werden während der Therapie oft resistente Mutanten gegen das Medikament selektiert, die sich nicht nur der Therapie entziehen, sondern auch Mutationen im HBsAg aufweisen. Experimentell wurde kürzlich gezeigt, dass erfolgreich mit dem üblichen Impfstoff geimpfte Schimpansen nicht sicher vor einer Infektion mit diesen speziellen Virusvarianten geschützt waren. Diese Mutanten sind gut vermehrungsfähig und könnten sich daher auch in einer Population mit hohem Impfschutz, wie z.B. in Deutschland, verbreiten.
Mutanten bei reaktivierter okkulter HBV-Infektion. Seit 1975 ist bekannt, dass auch nach Ausheilen einer HBV-Infektion das Virus nicht völlig verschwindet, sondern in versteckter (okkulter) Form in der Leber verweilt. Dort wird es vom Immunsystem weitgehend, aber nicht völlig an der Vermehrung gehindert. Wird das Immunsystem stark supprimiert, z.B. bei Knochenmarktransplantation oder Therapie des Lymphdrüsenkrebses, kommt es oft zur Reaktivierung des HBV, das dann hohe Konzentrationen in Leber und Blut erreichen kann. Zunächst bleibt diese Reaktivierung klinisch stumm. Erholt sich jedoch das Immunsystem, samt seinen noch bestehenden immunologischen Gedächtniszellen gegen HBV, kann es innerhalb von Tagen zur massiven Immunpathogenese und zum Leberversagen kommen. Aufgrund der vorherigen kontinuierlichen Selektion durch das Immunsystem sind die reaktivierten HBV-Varianten meist stark mutiert ohne ihre Virulenz verloren zu haben. Bislang glaubte man, dass hauptsächlich die zelluläre Immunität die okkulte HBV-Infektion kontrolliert, aber neuere Beobachtungen zeigen, dass die neutralisierenden Antikörper (Anti-HBs) mindestens so wichtig sind. Die Reaktivierungen findet man nämlich am häufigsten bei selektiver Beseitigung der Antikörper-bildenden B-Lymphozyten, z. B. durch das Mittel Rituximab (ein monoklonaler Antikörper gegen CD20). Hierbei haben wir Mutanten gefunden, die bis zu 16 Mutationen in den 63 Aminosäuren der von den Antikörpern erkannten HBsAg-Schleife aufweisen und durch keinen HBsAg-Test mehr erkannt werden können. Es ist kaum vorstellbar, dass der herkömmliche Impfstoff gegen solche Mutanten schützt, wenn schon eine Mutation ausreicht, um den Schutz zu verringern.
Weiterentwicklung des HBV-Impfstoffs ("3. Generation")
Schon lange vor diesen neueren, besorgniserregenden Beobachtungen war bekannt, dass die Impfstoffe der 2. Generation nicht dem Kenntnistand nach 1980 über HBV entsprechen. Insbesondere durch die Arbeiten von Heermann und Gerlich am Institut für Medizinische Mikrobiologie der Universität Göttingen wurde deutlich, dass das kleine (small) Oberflächenprotein des HBV (SHBs) welches das HBsAg bildet, nur eines von drei Oberflächenproteinen des HBV ist. Das sogenannte mittlere (MHBs) und das große (large) Oberflächenprotein (LHBs) enthalten neben dem Genabschnitt des kleinen Hüllproteins (SHBs) zusätzlich jeweils unterschiedliche Verlängerungen, die sogenannten PräS-Domänen.. Dass die PräS-Domänen auch schützende Antikörper gegen eine HBV-Infektion induzieren können, zeigten Impfversuche mit chemisch synthetisierten PräS-Peptiden Ende der 1980er Jahre an Schimpansen. Als alleiniger Impfstoff sind diese Peptide ungeeignet, da sie viel zu teuer und wenig immunogen sind. Die naheliegende Einbeziehung aller drei HBV-Oberflächenproteine in den bereits bestehenden "Hefe"-Impfstoff gelang wegen vielfältiger Schwierigkeiten nicht in zufriedenstellender Weise. Erfolgreicher war die Produktion in Säugerzell-Linien durch eine Reihe kleinerer Firmen. Die zunächst in geringer Menge hergestellten PräS-Impfstoffe der 3. Generation zeigten sich in vielen Studien gegenüber den HBV-Impfstoffen der 2. Generation in der Antikörperbildung überlegen. Bislang haben jedoch die großen Impfstoffhersteller aus diesen positiven Entwicklungen keine Konsequenzen gezogen.
Ein möglicherweise noch attraktiveres Konzept ist die Verwendung hoch immunogener künstlicher Trägerpartikel, z. B. der Core-Partikel von HBV, in die gentechnisch die für den Schutz relevanten PräS-Antigene an exponierter Stelle eingesetzt wurden (3).
Experimentelle Nachweissysteme für schützende Antikörper
Der eigentliche Schutzmechanismus durch die Impfung lag lange Zeit im Dunklen. Dies lag daran, dass es kein einfach verfügbares Zellkultursystem gab, an dem der Infektionsvorgang des HBV im Labor untersucht werden konnte. Es gab auch kein einfaches, kleines Tiermodell (z.B. Labor-Mäuse, Ratten), da das HBV nur den Menschen und einige wenige Primaten, wie z. B. den Schimpansen infiziert. Die einzige Möglichkeit bestand in der Verwendung primärer Leberzellkulturen aus frischem menschlichem Lebergewebe, das nach notwendigen Leberoperationen mit Einwilligung der Patienten chirurgisch gewonnen werden konnte. Diese Kulturen sind naturgemäß schwierig zu erhalten und ergaben oft wechselnde Ergebnisse. Eine Lösung des Problems ergab sich, als chinesische Forscher entdeckten, dass sich die u. a. in China beheimateten „Südost-Asiatischen Spitzhörnchen“ (Tupaia belangeri, Ordnung Scandentia) mit menschlichem HBV infizieren lassen. Die Infektion dieser Tiere, die evolutionär als eine Vorstufe der Primaten betrachtet werden können, war jedoch sehr ineffizient. Weiterführende Studien von Joseph Köck und Kollegen (Freiburg) zeigten, dass sich frisch isolierte primäre Leberzell-Kulturen aus diesen Tieren erstaunlich gut mit HBV infizieren lassen. Diese Befunde konnten rasch von Glebe aufgenommen werden, da an der Universität Gießen bereits eine kleine Tupaiazucht vorhanden war, die früher für Stressforschung verwendet wurde. Mit Hilfe dieser Leberzellkulturen gelang es Glebe in den letzten Jahren, wesentliche virale und zelluläre Strukturen zu identifizieren, die für die Bindung und Aufnahme des HBV verantwortlich sind (4, 5, 6). Insbesondere konnte Glebe zusammen mit seinem Heidelberger Kollegen Urban zeigen, dass ein Abschnitt der PräS1-Domäne auf der HBV-Oberfläche für die erste Kontaktaufnahme des Virus mit seiner Zielzelle wesentlich ist (7). Die Bedeutung dieses international anerkannten HBV-Infektionssystems geht weit über die Grundlagenforschung hinaus und erlaubt neben der Charakterisierung von HBV-Impfdurchbrüchen ebenso die Testung und Validierung von Desinfektionsmitteln und Inaktivierungsverfahren für HBV und die Entwicklung neuartiger antiviraler Medikamente für eine Verbesserung der Therapie chronisch HBV-infizierter Patienten.
Mit Hilfe dieser Befunde ist es den Gießener Virologen Bremer und Glebe gelungen, Komponenten des LHBs für einen zukünftigen Hepatitis-B-Impfstoff der 4. Generation zu identifizieren, die auch gegen HBsAg-Escape-Mutanten schützen sollten und im Tierversuch Antikörper mit sehr hoher Schutzwirkung erzeugen (3). Des weiteren wurde in Zusammenarbeit mit Pumpens, Riga und Henrik Garoff, Karolinska-Institut Stockholm, festgestellt, dass in Hefe produziertes HBsAg nicht alle Schutz-erzeugenden Strukturen (neutralisierende Epitope) enthält, die natürliches oder in Säugerzellen mittels eines viralen Vektors produziertes HBsAg aufweist. Fatalerweise scheinen vorwiegend die Epitope zu fehlen, die einen Genotyp-übergreifenden Schutz bewirken (8). Dies könnte auch die oben erwähnte schwächere Wirkung des Normalimpfstoffs gegen die anderen HBV-Genotypen erklären.
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Impfstudie in Palästina und Israel.
Optimal wirksame HBV-Impfstoffe werden besonders in Gebieten mit hoher HBV-Prävalenz benötigt. Während in Deutschland nur 0,5 % der Bevölkerung chronisch mit HBV infiziert sind, liegt in Palästina die Häufigkeit bei 8 %. HBV wird vor allem während der Geburt von der infizierten Mutter auf ihr Neugeborenes übertragen, das dann fast immer auch eine chronische Infektion entwickelt und ein sehr hohes Risiko hat, im mittleren Lebensalter an Leberversagen oder Leberkrebs zu versterben. Die momentan verfügbaren Hepatitis-B-Impfstoffe der 2. Generation versagen jedoch in Palästina bei bis zu 25 % der Neugeborenen infizierter Müttern, was möglicherweise auch daran liegt, dass in Palästina der Genotyp D vorherrscht. In einer vor kurzem begonnenen Studie wird daher im direkten Vergleich mit dem Impfstoff der 2. Generation bei der Hälfte der Neugeborenen ein in Israel und Palästina zugelassener Impfstoff der 3. Generation verwendet, der Antikörper gegen alle drei HBV Oberflächenproteine erzeugt und bei Kleinkindern eine erwiesenermaßen sehr gute Schutzwirkung gezeigt hat. Hierdurch besteht erstmals die Möglichkeit die mutmaßliche Überlegenheit der 3. Generation nicht nur durch die Anti-HBs-Spiegel sondern durch die Schutzrate im Feld zu beweisen. Auf palästinensischer Seite wird die Studie von Maysa Azzeh an der Al-Quds Universität, Ost- Jerusalem-Abu Dies, geleitet und in sechs Geburtszentren in der Westbank durchgeführt. Rifaat Safadi (Hadassah Universität, Jerusalem) leitet den israelischen Arm der Studie in vier Geburtszentren in Jerusalem und Nazareth. Finanziert wird die Studie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der „Trilateralen Projekte“, die laut DFG unter Beteiligung deutscher, israelischer und palästinensischer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch der Unterstützung einer friedlichen Entwicklung im Nahen Osten dienen sollen.
Schlussbemerkung. Niemanden sollten die kritischen Anmerkungen dieses Beitrags davon abhalten, die Hepatitis-B-Impfung mit den bisherigen Impfstoffen zu empfehlen bzw. selbst zu bekommen, so lange keine erprobten besseren Alternativen verfügbar sind. Um auf lange Sicht HBV weltweit zu eradizieren, werden jedoch wirksamere Impfstoffe nötig sein.
Kontakt:
Prof. Dr. Wolfram H. Gerlich,
PD Dr. Dieter Glebe
Institut für Medizinischen Virologie
Justus-Liebig-Universität Gießen
Frankfurter Str. 107
35292 Gießen
E-Mail:
Wolfram.H.Gerlich@viro.med.uni-giessen.de
Dieter.Glebe@viro.med.uni-giessen.de
Literatur:
1. Stramer, Susan L., Ulrike Wend, Daniel Candotti, Gregory A. Foster, F. Blaine Hollinger, Roger Y. Dodd, Jean-Pierre Allain, Wolfram Gerlich, 2010.
Occurrence and characterization of naturally acquired hepatitis B infection among vaccinated blood donors using an HIV, HCV and HBV triplex nucleic acid amplification screening test. In Revision
2. Gerlich WH, Bremer C, Saniewski M, Schüttler CG, Wend UC, Willems WR, Glebe D. Occult Hepatitis-B-Virus infection: detection and significance. Dig Dis. 2010;28(1):116-25. Epub 2010 May 7
3. Bremer CM, Irina Sominskaya, Dace Skrastina, Paul Pumpens, Ahmed Abd El Wahed, Ulrike Beutling, Ronald Frank, Hans-Joachim Fritz, Gerhard Hunsmann, Wolfram H. Gerlich and Dieter Glebe. ./( 2010). N-terminal myristoylation-dependent masking of neutralizing epitopes in the preS1 attachment site of Hepatitis-B-Virus. In Revision.
4. Glebe, D., Aliakbari, M., Krass, P., Knoop, E., Valerius, K.P., Gerlich, W.H. (2003)
PreS1 antigen dependent infection of Tupaia hepatocyte cultures with human Hepatitis-B-Virus. J Virol. 77(17):9511-21.
5. Leistner, C., S. Grün-Bernhard, and D. Glebe. Role of glycosaminoglycans for binding and infection of Hepatitis-B-Virus. Cell. Microbiol. 2008, 10(1):122-33.
6. Bremer CM, Bung C, Kott N, Hardt M, Glebe D. Hepatitis-B-Virus infection is dependent on cholesterol in the viral envelope. Cell Microbiol. 2009 Feb;11(2):249-60.
7. Glebe.D., Urban, S, Knoop, E. V., Çag, N., Krass, P., Grün, S., Bulavaite, A., Sasnauskas, K., Gerlich, W. H. ( 2005). Mapping of the Hepatitis-B-Virus attachment site by infection-inhibiting preS1 lipopeptides using Tupaia hepatocytes. Gastroenterology 2005;129:234-245.
8. Niedre-Otomere, Baiba, Ance Bogdanova, Dace Skrastina, Anna Zajakina, Ruta Bruvere, Velta Ose, Wolfram H. Gerlich, Henrik Garoff, Paul Pumpens, Dieter Glebe, Tatjana Kozlovska. Recombinant Semliki Forest virus vectors encoding Hepatitis-B-Virus small surface and preS1 antigens induce broadly reactive neutralizing antibodies. In Revision.
Abbildung. HBV-Escape-Mutante bei einem Lymphompatienten. Modell der HBs-Antigenschleife im kleinen HBV Hüllprotein (HBsAg) von Aminosäure (AS) 98 bis 161. Jeder Kreis entspricht einer AS mit der Bezeichnung im Einbuchstaben-Code. Dunkelblaue Kreise entsprechen streng konservierten AS, rote sind mit HBV-Genotypunterschieden verbunden, hellblaue sind variabel. Die Rechtecke geben die Mutationen bei einem Fall von HBV-Reaktivierung mit schwerer akuter Hepatitis (ALT 2000 IU/L) nach Überstehen einer Lymphom-Therapie wieder. Die Viruslast war hoch (64 000 Virus-DNA-Moleküle/mL), jedoch war HBsAg mit keinem verfügbaren Test nachweisbar. Vor der immunsuppressiven Lymphomtherapie war bei dem Patient Anti-HBs und Anti-HBc nachweisbar gewesen. Gelbe Rechtecke bewirken eine Änderung des HBsAg-Subtyps. Die Hauptmenge der ungewöhnlich zahlreichen Mutationen liegt außerhalb der Determinante "a" (gekennzeichnet durch das große Rechteck), die bei allen Normalvarianten des HBV annähernd gleich ist. Nach Schaefer et al. in Doerr & Gerlich: Medizinische Virologie, Thieme 2010, S. 356.
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