Impfung gegen endogene Infektionen mit Antibiotika-resistenten Bakterien
Aus der Klinischen Forschung
Die Besiedlung des menschlichen Körpers mit Bakterien erfüllt eine Schutzfunktion, stellt aber auch eine permanente Infektionsquelle dar. Angesichts der globalen Ausbreitung von Antibiotika-resistenten Bakterienstämmen sind endogene Infektionen durch kolonisierende Bakterien aufgrund der Therapieunsicherheit in den Fokus gerückt. Obwohl der Bedarf offensichtlich erscheint, sind bislang weder prophylaktische noch therapeutische Impfstoffe gegen diese Erreger verfügbar. Die Ursachen liegen in den Charakteristika dieser Infektionen, die die Produktentwicklung erschweren: Heterogenität der Bakterienstämme, Unberechenbarkeit des zeitlichen Auftretens der Infektionen, eine vorhandene, aber möglicherweise nicht protektive Immunantwort, die durch die Impfung verstärkt, aber nicht verändert wird, sowie undefinierte Wechselbeziehungen mit anderen Mikrobiota, die unerwartet sowohl zur Erkrankung als auch zur Heilung beitragen können.
Schlüsselwörter: Nosokomiale Infektionen, Impfung, Immunseneszenz, Immunsuppression, Mikrobiom
Das körpereigene Mikrobiom als permanente Infektionsquelle
Immunseneszenz und iatrogene Immunsuppression prägen das Infektionsrisiko einer alternden Bevölkerung. Die damit einhergehenden Infektionen gehen häufig von Bakterien aus, die dauerhaft den Körper besiedeln oder im Krankenhaus übertragen werden (Tab. 1). Angesichts der weltweiten Ausbreitung von Antibiotika-resistenten Bakterienstämmen, die sich immer häufiger auch im Mikrobiom Gesunder nachweisen lassen, ist klargeworden, dass neue Therapiemöglichkeiten zur Behandlung und Prophylaxe von endogenen Infektionen benötigt werden. Diese reichen von Neuentwicklungen von Antibiotika bis hin zu Impfstoffen und Immunglobulinen zur aktiven und passiven Immunisierung. Allerdings sind viele Substanzen in der klinischen Prüfung nicht erfolgreich. Die Ursachen bleiben häufig ungeklärt, liegen aber vermutlich in der Kombination aus unterschiedlichen Faktoren, deren Gewichtung schwer vorhersehbar ist (Abb. 1): Neben der genetischen und antigenischen Heterogenität der infizierenden Stämme innerhalb einer Spezies stellt vor allem das zeitlich unkalkulierbare Auftreten der Infektionen eine Herausforderung dar. Hinzu kommt, dass häufig eine präformierte, aber möglicherweise nicht protektive Immunantwort vorliegt, die durch die Impfung verstärkt, aber qualitativ in der Regel nicht verändert wird. Zudem existieren komplexe Wechselwirkungen mit anderen Mikrobiota und deren Metaboliten, deren Zusammensetzung Wachstum und Ausbreitung des infizierenden Stamms positiv oder negativ beeinflussen.
Immunabwehr gegen endogene Infektionen
Zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten befassen sich mit der natürlichen Immunantwort gegen einzelne nosokomiale Erreger. Aufgrund der vorgegebenen Kürze konnte diese Übersichtsarbeit nur eine kleine Auswahl berücksichtigen.
Am besten untersucht ist die Immunantwort gegen Staphlylococcus aureus (S. aureus). Diese Spezies kolonisiert transient oder permanent im Nasen- und Rachenraum und ist eine der häufigsten Ursachen für Wundinfektionen und schwere Infektionen bis hin zur Sepsis.
Bei akuten Infektionen von Haut und Lunge steht in der Regel die rasche Elimination der Bakterien durch neutrophile Granulozyten im Vordergrund (zusammengefasst in [1]). Daher kommt es bei Patienten mit angeborenen oder erworbenen Störungen der Neutrophilenfunktion zu rezidivierenden Infektionen [2, 3]. Andererseits hat S. aureus zahlreiche Mechanismen der Immunevasion gegen Neutrophile entwickelt [4], weshalb andere angeborene Immunzellen, wie z. B. Makrophagen und Mastzellen, ebenfalls benötigt werden [1]. Weitere Analysen zeigen, dass eine adaptive Immunantwort gegen diese genetisch hochvariable Spezies nahezu bei allen Menschen nachweisbar ist. Es zeigt sich, dass diese spezifisch auf den besiedelnden Stamm ausgerichtet ist und protektiv wirkt, da S. aureus-Träger zwar häufiger an S. aureus-Blutstrominfektionen erkranken, aber schneller genesen [5]. Das vorhandene Immungedächtnis besteht aus Antikörpern, die sich sowohl gegen Oberflächenantigene als auch das spezifische Toxinarsenal des besiedelnden Stamms richten [6, 7].
Die dauerhafte Exposition formiert auch ein T-Zellgedächtnis [8–10]. Interessanterweise können gegen das gleiche Antigen sowohl Th1- als auch Th2-Antworten gebildet werden [11]; möglicherweise ist daher die Balance zwischen unterschiedlichen T-Zellsubpopulationen für die Abwehrlage entscheidend [9, 10, 12]. Zudem sind abhängig von der Lokalisation des Infektionsfokus unterschiedliche angeborene und adaptive Immunzellsubpopulationen für die Infektionsabwehr relevant [1, 3, 13].
Ausführliche Untersuchungen liegen auch zu Clostridioides difficile, dem Erreger der Antibiotika-assoziierten pseudomembranösen Kolitis, vor. Obwohl Antikörper gegen Strukturproteine, Polysaccharide und Toxine in Seren nachweisbar sind, wurden korrelative Analysen nur für Antikörpertiter gegen die krankheitsverursachenden Toxine A und B (TcdA bzw. TcdB) durchgeführt: Niedrige oder fehlende Titer korrelieren mit Erkrankung und Rezidiven, während hohe Antikörpertiter schützend wirken [14, 15]. Besondere Bedeutung kommt aufgrund der Beschränkung des Infektionsgeschehens auf das Kolon der dort vorherrschenden IgA-Produktion zu: Kolonisierung und Rekonvaleszenz gehen mit erhöhten Anti-TcdA-IgA in Serum und Stuhl einher. IgA-Werte sind zudem in nicht-kolonisierten gesunden Individuen, aber auch während der akuten C. difficile-Infektion niedriger [16, 17]. Letzteres kann darauf hindeuten, dass Patienten mit CDI eine reduzierte Immunantwort gegen C. difficile aufweisen, und dadurch ein höheres Risiko für eine Erkrankung besteht. Zur T-Zell-Immunität liegen nur wenige Untersuchungen vor. Lediglich der Nachweis einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber C. difficile bei Mutation des Leptinrezeptors (Q223R) weist auf eine Rolle von Interleukin-23 und Th17-Zellen in der Pathogenese der C. difficile-Infektion hin [18].
Es gibt hingegen kaum systematische Untersuchungen zur spezifischen Immunantwort gegen andere Darmbakterien. Antikörper gegen Escherichia coli (E. coli) und Enterokokken, wie z. B. E. faecalis, werden als Folge der Kolonisierung im Darm (IgA) und im Rahmen einer Darmpermeabilitätsstörung im Serum (IgG) nachweisbar, siehe z. B. [19]. In der Milz werden von Marginalzonen-B-Zellen Anti-Polysaccharidantikörper gegen die Kapsel von K. pneumoniae gebildet, da nach Splenektomie das Infektionsrisiko erhöht ist [20]. Diskutiert wird auch eine Rolle von Th17-Zellen in der Immunabwehr gegen K. pneumoniae [21].
Impfprotektion gegen bakterielle Superinfektionen
Eine wichtige Komplikation der Influenza ist die bakterielle Superinfektion, die häufig von den Respirationstrakt besiedelnden Bakterien verursacht wird. Das Virus prädisponiert für sekundäre Infektionen mit Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae), Haemophilus influenzae (H. influenzae) oder S. aureus, weil es das respiratorische Epithel schädigt und die Immunabwehr herabsetzt. In einer großen nicht-randomisierten, Populations-basierten, interventionellen Studie konnte durch eine kombinierte Impfung gegen Influenza und Pneumokokken eine Reduktion der Mortalität von 57 % in Erwachsenen (> 65 Jahre) erzielt werden [22]. Während der Influenzaimpfstoff in jeder Saison an die Stammepidemiologie angepasst wird, stehen sowohl reine Polysaccharid- als auch Konjugatimpfstoffe gegen Pneumokokken und Konjugatimpfstoffe gegen H. influenzae zur Verfügung.
Voraussetzung für die Wirkung des reinen Polysaccharidimpfstoffs ist die Bildung von Anti-Polysaccharidantikörpern in der Milz [20]. Da die spezifische B-Zellsubpopulation beim Kleinkind noch nicht funktionsfähig ist, wurden in den Konjugatimpfstoffen Polysaccharide an Proteine (inaktivierte bakterielle Toxine, wie z. B. Tetanustoxoid und CRM197, ein genetisch verändertes Diphterietoxin) gekoppelt, um durch T-Zellhilfe die B-Zell-Gedächtnisbildung zu ermöglichen. In einer aktuellen Studie an gesunden Freiwilligen waren gegen Kapselpolysaccharide gerichtete, IgG-produzierende B-Gedächtniszellen der einzige Faktor, der vor einer Re-Kolonisation mit dem gleichen Serotyp schützte [23, 24].
Eine Impfung gegen S. aureus wäre nicht nur im Kontext der Influenzainfektion attraktiv. Aufgrund der großen klinischen Bedeutung dieses Erregers wurden bereits viele unterschiedliche Impfkonzepte entwickelt. Darunter fanden sich Impfstrategien, denen unterschiedliche immunologische Mechanismen zugrunde lagen [25]: 1.) Verbesserung der Opsonophagozytose durch Antikörperbildung gegen Oberflächenstrukturen mit dem Ziel der rascheren Elimination von Bakterien durch Fcγ-Rezeptor-vermittelte, intrazelluläre Aufnahme der sich ausbildenden Immunkomplexe und Lyse der Bakterien; in diese Kategorie fallen Impfstoffe mit Hitze-inaktivierten Ganzkeimen, Konjugate aus Kapselpolysacchariden von virulenten Stämmen (CPS 5 und 8), mit oder ohne Kopplung, gekoppelt an Proteinträger, wie z. B. das Exotoxin A von Pseudomonas aeruginosa [26–28] oder Kombinationen von rekombinant hergestellten konservierten bakteriellen Oberflächenmolekülen als Impfantigene. 2.) Verhinderung der Kolonisation und Invasion durch Verwendung von Adhäsionsfaktoren wie Iron-regulated Surface Determinant B (IsdB) oder Clumping Factor A (ClfA) allein oder in Kombination als Impfantigene und Induktion einer T-Zellantwort [29–34] und 3.) Antikörperinduktion zur direkten Neutralisierung von Toxinen: Durch die Bindung von neutralisierenden Antikörpern an biologisch relevante Epitope werden die Toxine unwirksam, können zum Beispiel nicht mehr binden und werden außerdem durch Phagozyten eliminiert [25]. Bis heute war keines dieser Konzepte in der klinischen Prüfung erfolgreich, obwohl die Wirksamkeit in präklinischen Infektionsmodellen und Phase-2-Studien gezeigt werden konnte. Zu bedenken ist, dass zum Einen die bislang verwendeten Impfstoffformulierungen lediglich dazu geführt haben, dass eine bereits vorhandene Immunantwort verstärkt wurde (Boosterimpfung), obwohl die vorgeprägte Immunantwort nicht in allen Individuen protektiv wirkt [35]. Zum Zweiten muss in Erwägung gezogen werden, dass der Zeitpunkt der Impfung in den Studien, z. B. bei Aufnahme ins Krankenhaus vor einem chirurgischen Eingriff, möglicherweise nicht optimal war, um eine protektive Immunität auszubilden. Hinzu kommen Überlegungen zur Qualität und Stabilität der verwendeten Impfstoffe, z. B. ist bei Kapselpolysaccharidimpfstoffen zu beachten, dass die finale chemische Konformation, insbesondere der Erhalt der O-Acetylierung der Kapselpolysaccharide, für die Wirksamkeit entscheidend sein könnte [36], weil in der Abwesenheit der O-Acetylierung die Immunogenität verändert und die Antikörperbildung verhindert wird [37].
Impfung gegen Clostridioides difficile
Für die Impfung gegen C. difficile wurden bisher zwei Strategien verfolgt: 1.) Klassische Toxinneutralisation: Verwendung der krankheitsverursachenden Toxine (TcdA und TcdB) als Impfantigene mit dem Ziel der Bildung von Toxin-neutralisierenden Antikörpern, die durch die Bindung an Toxine diese unschädlich machen (Toxinneutralisation); 2.) Verhinderung oder Reduktion der intestinalen Besiedlung mit C. difficile: Hierzu wurden sowohl i. m. als auch oral zu verabreichende Impfstoffe entwickelt, die entweder bakterielle Oberflächenmoleküle, einschließlich Polysaccharide, enthielten oder auf ganzen, häufig genetisch veränderten Organismen, wie z. B. Bakteriensporen mit Expression der C. difficile-Toxine TcdA und TcdB, beruhten [25]. Im ersteren Fall kann auf präklinische und klinische Daten zurückgegriffen werden, die zeigen, dass neutralisierende Anti-Toxin-Antikörper eine Schutzwirkung aufweisen [14–17]. Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein monoklonaler Antikörper gegen das TcdB entwickelt und vor kurzem zugelassen. Derzeit befindet sich nur ein Impfstoff für die aktive Immunisierung in der klinischen Prüfung; andere Impfstoffentwicklungen wurden in der späten klinischen Phase aufgegeben. Da, wie oben dargestellt, bei C. difficile nachgewiesen wurde, dass die Höhe der Antikörpertiter mit der Protektivität korreliert [14–17], erscheint ein Booster der vorhandenen, humoralen Immunantwort als Impfstrategie sinnvoll, solange dadurch die neutralisierenden Antikörpertiter erhöht werden. Trotzdem stehen die Entwickler vor den immer wiederkehrenden Herausforderungen, die auch bei S. aureus und anderen kolonisierenden Erregern im Vordergrund stehen:
Wann ist der optimale Zeitpunkt für die Immunisierung?
Ist das Intervall bis zum Auftreten der Erkrankung lang genug, damit sich eine ausreichende Immunität entwickeln kann?
- Kann eine Immunisierung in einem schwerkranken, immunsupprimierten Patienten wirksam sein?
- Angesichts des Erfolgs der Stuhltransplantation: Welchen Beitrag zu Immunantwort und Genesung leistet das Mikrobiom und wie ist das in Studien kontrollierbar?
Impfen gegen Darmbewohner
Für die Familien der Enterococcaceae und Enterobacteriaceae gilt, dass sie als Bewohner des Darms in Mensch und Tier ubiquitär nachweisbar sind und es daher viele mögliche Transmissions- und Infektionsquellen im direkten Kontakt und in der Umwelt gibt. Aufgrund des ubiquitären Vorkommens erscheint zudem eine gezielte Bekämpfung bzw. Elimination dieser Spezies durch Impfprogramme nicht realistisch.
Enterokokken wurden lange Zeit als nahezu apathogene Spezies betrachtet. Erst durch ihre zunehmende Bedeutung als Erreger von Blutstrominfektionen, Endokarditis und Fremdkörperinfektionen, und aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Antibiotika wurde ihre Relevanz neu bewertet. Dementsprechend gibt es bislang nur wenige Ansätze zur Impfstoffentwicklung [38].
Generell gilt, dass die zu den Enterobacteriaceae gehörigen Bakteriengattungen hinsichtlich ihrer Virulenzfaktoren, ihres Resistenzverhaltens und ihrer Lipopolysaccharid- und Kapseltypen sehr heterogen sind. Bei Impfstoffentwicklungen sind vor allem E. coli und K. pneumoniae als Kandidaten in Betracht gezogen worden. Aufgrund der Kapselexpression bei K. pneumoniae lag es nahe, einen Glykokonjugatimpfstoff herzustellen. In der Praxis zeigte sich jedoch, dass durch die große Zahl an Serotypen eine solche Impfstoffentwicklung nicht praktikabel erschien [25]. Epidemiologische Erhebungen zeigen allerdings, dass sich bestimmte Antibiotika-resistente Stämme weltweit ausbreiten. Auf der Basis dieser Untersuchungen sind monoklonale Antikörper gegen deren Stamm-spezifische Lipopolysaccharid (LPS)-Formen und Kapselpolysaccharide entwickelt worden [39–41]; diese Antigene sind Oberflächenmoleküle und sehr immunogen und könnten möglicherweise auch für die aktive Immunisierung mit dem Ziel der verbesserten Opsonophagozytose relevant werden.
Eine wahrscheinlich noch größere Herausforderung ist die Impfstoffentwicklung gegen E. coli. Hier müssen die häufigen endogenen Infektionen von den Toxin-vermittelten Infektionen unterschieden werden. Gegen Toxin-vermittelte Infektionen wie bei Enterohämorrhagischen (EHEC) oder Enterotoxigenen (ETEC) E. coli gibt es eine Reihe von Toxin-basierten Impfstoffentwicklungen [42], die jedoch nicht Gegenstand dieser Arbeit sind. Gegen endogene Infektionen wird in laufenden klinischen Prüfungen ähnlich wie bei K. pneumoniae eine Kombination aus verschiedenen Stamm-spezifischen LPS-Spezies getestet [38, 43].
Fazit
Opportunistische Erreger sind Bestandteil des humanen Mikrobioms. Sie stellen ein Infektionsrisiko dar, das sich insbesondere bei einer transienten oder permanenten Immunsuppression, bei Verletzungen von epithelialen Barrieren durch einen medizinischen Eingriff oder nach einem Virusinfekt manifestieren kann. Klinische Studien zeigen, dass Impfstrategien wie eine kombinierte Influenza- und Pneumokokkenimpfung Mortalität und Morbidität reduzieren können. Trotz des klinischen Bedarfs sind heute jedoch keine Impfstoffe gegen endogene Infektionserreger erhältlich. Die Ursachen für die bisherigen Misserfolge sind weitgehend unklar und multifaktoriell. Zwei Aspekte sollen hier jedoch hervorgehoben werden:
Da viele der bisherigen Impfstoffentwicklungen bereits vorhandene, möglicherweise tolerogene Immunantworten verstärken, ist davon auszugehen, dass das bisherige Vorgehen (nicht adjuvantierte oder Alum-adjuvantierte Impfstoffe) unzureichend ist. Demnach müssen alternative Strategien entwickelt werden, die eine Schutzwirkung durch zumindest transiente Elimination des Erregers erreichen können.
Epidemiologie-basierte Ansätze für passive und aktive Impfkonzepte gegen weit verbreitete, Antibiotika-resistente E. coli- und K. pneumoniae-Stämme befinden sich in der klinischen Prüfung. Zu erwarten ist allerdings, dass sich auch bei diesen Entwicklungen die klinische Prüfung durch die sehr spezifische Stamm- bzw. Serotypauswahl schwierig gestalten wird.
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