Mikroben schachmatt gesetzt – Forscher rüsten Tuberkulose-Impfstoff nach

Den Erreger der Tuberkulose ans Licht zu ziehen, war eine schwierige Aufgabe. Robert Koch fertigte Hunderte von Präparaten aus Patientengewebe an. Seine Finger und Hände wurden buntscheckig von all den Farben, die er ausprobierte, und grau von den scharfen Säuren, mit denen er arbeitete. Peinlich genau hielt er fest, welche Mischung er bei jedem Präparat verwendete. Dann trocknete und ordnete er die Ausstriche, um sie der Reihe nach unter dem Mikroskop zu untersuchen: Er prüfte einen Objektträger nach dem anderen – nichts. Es waren keine Bazillen zu sehen.

Hundert neue Präparate wurden sorgfältig gefärbt, wieder nach einer neuen Methode. Einen Tag lang ließ Koch die Ausstriche in der Mischung liegen, das Mikroskopieren begann am vierten Tag von neuem. Er untersuchte vierzig, fünfzig Objektträger. Nichts. Noch immer nichts. Und dann endlich: Vereinzelt oder in Reihen nebeneinander liegen winzige, schlanke, leicht gekrümmte Stäbchen. Sie sind sehr dünn, ein Viertel, höchstens halb so groß wie der Durchmesser eines roten Blutkörperchens. An den Enden scheinen sie zugespitzt. In ihrer schönen blauen Färbung sind sie leicht zu erkennen – die Tuberkelbazillen!

Den Erreger aufgespürt

Mycobacterium tuberculosis ist besonders anspruchsvoll im Umgang, und es ist schwierig mit ihm zu experimentieren und so verdient Robert Kochs Arbeit auch aus heutiger Sicht noch höchste Anerkennung. Tuberkelbazillen sind mit konventionellen Färbemethoden nur schwer darzustellen. Koch hatte hierin Erfolg durch Zugabe von Methylenblau gefolgt von Vesuvin (Bismarcks Braun), was dem Wirtsgewebe eine bräunliche und den Mikroben eine tiefblaue Färbung verlieh.

Der nächste Schritt war die Isolierung der Bakterien und deren anschließende Kultur in reiner Form. Koch benutzte Rinder-Serum, das bei 58°C für eine Stunde an sechs aufeinander folgenden Tagen sterilisiert wurde. Anschließend erhitzte er das Serum für einige Stunden bei maximal 65°C, sodass es sich verfestigte. Um die Oberfläche für das bakterielle Wachstum zu vergrößern, brachte Koch die Reagenzröhrchen, in denen die Bakterien wuchsen, in Schieflage. Es dauerte zehn Tage, bis kleine, trockene Kolonien zu sehen waren.

Es folgten zahlreiche Experimente, in denen Koch Versuchstiere mit isolierten Kulturen von M. tuberculosis infizierte. Die Identifizierung, Isolierung und schließlich die erfolgreiche Infektion mit isolierten Tuberkelbazillen „berechtigen zu dem Ausspruch“, so Koch in einem Vortrag vor der Physiologischen Gesellschaft zu Berlin, „dass die in den tuberkulösen Substanzen vorkommenden Bazillen nicht nur Begleiter des tuberkulösen Prozesses, sondern die Ursache desselben sind.“ Kochs Vortrag wurde kaum drei Wochen später, am 10. April 1882, in der Berliner Klinischen Wochenschrift veröffentlicht. Zu dieser Zeit war in den Hauptstädten Europas Tuberkulose die Ursache bei nahezu einem Drittel aller Todesfälle von Erwachsenen.

Motten in der Lunge

Doch auch mehr als hundert Jahre nach Kochs bahnbrechender Entdeckung, für die er 1905 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurde, hat die Tuberkulose (TB) nichts von ihrem Schrecken verloren: Weltweit sterben jährlich fast zwei Millionen Menschen an TB – und damit mehr als zu Lebzeiten Kochs! Jede Sekunde steckt sich irgendjemand neu mit dem Erreger an. Die Bazillen werden durch Tröpfcheninfektion übertragen; ein Drittel der Weltbevölkerung ist mittlerweile infiziert. Viele Menschen in ärmeren Ländern haben aufgrund von Mangelernährung ein geschwächtes Immunsystem. Entsprechend kommt es hier oft schon bei der Erstinfektion zum vollen Ausbruch der Erkrankung. Unbehandelt verläuft die Tuberkulose dann meist tödlich.

Die Diagnose von TB ist schwierig, weil es keine charakteristischen Symptome gibt, sie kann endgültig nur durch einen mikrobiologischen Nachweis des Erregers gestellt werden. Je nachdem, wo der Arzt den Infektionsherd vermutet, untersucht er Hustenauswurf, Magensaft, Bronchialsekret oder Urin. Bei hochinfektiösen Formen der Erkrankung sind die Mykobakterien mithilfe spezieller Färbungen sofort unter dem Mikroskop zu erkennen, bei geringer Erregerkonzentration muss eine Bakterienkultur angelegt werden. Die Ansteckungsgefahr ist am höchsten, solange der Erreger mikroskopisch nachweisbar ist.

In abgekapselten Herden (Tuberkel) können die Bakterien lange im Körper überleben. Die knötchenartigen Entzündungen, die zunächst keine Beschwerden verursachen, bleiben bei der großen Mehrzahl der Fälle das einzige Anzeichen der Tuberkulose. Ist der Betroffene jedoch in seiner Abwehr geschwächt, können sich die Tuberkuloseherde öffnen und die Bakterien verteilen sich über die Blutbahn in den Körper. Die Folge ist ein Anschwellen der Lymphknoten der Lunge oder eine Entzündung des Rippenfells, des Herzbeutels, der Hirnhäute (oft tödliche Meningitis), am häufigsten der Lunge.

Er hörte seinen Verwandten von der Krankheit sprechen […] von Hans Castorps eigenem bescheidenen, aber langwierigen Fall, dem Reiz, den die Bazillen auf die Gewebszellen der Luftröhrenverästelungen und der Lungenbläschen ausübten, der Tuberkelbildung […], dem Zellenzerfall und Verkäsungsprozess, von dem dann die Frage sei, ob er durch kalkige Petrifizierung und bindegewebige Vernarbung zu heilsamen Stillstand gelange oder zu größeren Erweichungsherden sich fortbilde, umsichgreifende Löcher fresse und das Organ zerstöre. Er hörte von der wild beschleunigten, galoppierenden Form dieses Vorgangs, die in ein paar Monaten schon, ja in Wochen zum Exitus führe […] beschreibt Thomas Mann in  „Der Zauberberg“ den Verlauf der Krankheit. Der Roman spielt in einem Davoser Tuberkulose-Sanatorium vor dem Ersten Weltkrieg – zu einer Zeit, als es noch keine wirksamen Medikamente gegen Tuberkulose gab.

Teure Antibiotika

Heute wird die Tuberkulose mit einer Kombination aus wenigstens drei verschiedenen Antibiotika bekämpft. Diese unterscheiden sich in ihren Wirkmechanismen, sodass die Erreger auf unterschiedlichen Stufen abgetötet werden oder ihre Vermehrung gestoppt wird. Eine solche Therapie zieht sich über mehrere Monate hin. Allzu oft bleibt die Erkrankung jedoch unbehandelt oder die Behandlung wird zu früh abgebrochen. Viele Tuberkulose-Kranke beispielsweise in Indien stehen bisher vor der Wahl: Arbeit oder Behandlung. Sie riskieren ihren Job als Tagelöhner, wenn sie die Medikamente in der oft nur wenige Stunden geöffneten und weit entfernten Gesundheitsstation abholen. Ein verfrühter Abbruch der Therapie kann jedoch zu resistenten Erregerstämmen führen. Bei einem erneuten Krankheitsausbruch sind die verwendeten Medikamente dann nicht mehr wirksam. Dies gilt auch für Personen, die sich danach bei dem Erkrankten angesteckt haben.

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation WHO konnten mittlerweile in jedem Land TB-Stämme nachgewiesen werden, die gegenüber einzelnen Antibiotika resistent sind. Insbesondere in den Staaten der früheren Sowjetunion treten immer mehr multiresistente Stämme auf. Die Kosten für die Behandlung einer multiresistenten Tuberkulose können schnell auf das Hundert- bis Tausendfache ansteigen. In den ärmsten Ländern bedeutet eine multiresistente Tuberkulose daher häufig das Todesurteil.

Im Durchschnitt infiziert jede Person mit aktiver TB 10 bis 15 andere Personen pro Jahr. Und dieses Ansteckungsrisiko beschränkt sich nicht mehr allein auf die Entwicklungsländer. Durch die erhöhte Mobilität sind auch die Bewohner in den Industrieländern wieder stärker bedroht. Denn anders als in früheren Jahrhunderten, reisen die Menschen in der heutigen globalisierten Welt viel weiter, viel häufiger und vor allem – viel schneller. So können sich hoch virulente Krankheitserreger in kürzester Zeit über alle besiedelten Gebiete der Erde ausbreiten. Ein wirksamer Impfstoff gegen Tuberkulose wird daher heute mehr denn je benötigt.

1921 entwickelten die beiden französischen Forscher Albert Calmette und Camille Guérin am Pasteur Institut in Lille einen Impfstoff gegen Tuberkulose. Bei BCG (Bacille-Calmette-Guérin) handelt es sich um einen Lebendimpfstamm, der von Mycobacterium bovis, dem Erreger der Rindertuberkulose stammt. Er wurde gezielt abgeschwächt – zahlreiche Gene, die für die Pathogenitätseigenschaften des Bakteriums verantwortlich zeichnen, sind dabei verschwunden.

Dieser Impfstoff ist mit weltweit mehr als drei Milliarden Impflingen und jährlich rund 100 Millionen Neugeborenen-Impfungen der am weitesten eingesetzte Impfstoff überhaupt (in Deutschland wird keine generelle BCG-Impfung mehr durchgeführt, da das Infektionsrisiko für Tuberkulose unter 0,1 Prozent liegt). Er kann bei Kleinkindern die lebensbedrohende Miliartuberkulose verhindern, gegen die weltweit häufigste Form der Erkrankung, die Lungentuberkulose des erwachsenen Menschen, ist er allerdings weitgehend wirkungslos.

Abwehrzellen in Aktion

Am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin arbeiten die Wissenschaftler der Abteilung von Stefan H. E. Kaufmann an der Entwicklung eines neuen Impfstoffes, der wirksamer als BCG ist und die Ausbreitung der Tuberkulose weltweit kontrollierbar macht. Zur erfolgreichen Bekämpfung einer TB-Infektion – das wissen die Immunologen inzwischen – ist die Aktivierung verschiedener T-Zellen notwendig. T-Zellen, auch T-Lymphozyten genannt, erkennen eine Fülle von Antigenen. Sie sind neben den B-Zellen die zweite große Klasse von Immunzellen, die unseren Körper vor Krankheitserregern schützen. Anders als diese geben sie jedoch keine Antikörper ab, sondern greifen gewissermaßen persönlich vor Ort ein, indem sie zytotoxische Substanzen abgeben. Der BCG-Impfstoff kann die verschiedenen antigenspezifischen T-Zellen offensichtlich nicht hinreichend aktivieren. Warum?

Schauen wir uns zunächst die Immunantwort bei einer Infektion mit M. tuberculosis genauer an: Wie jeder Fremdkörper werden auch die Tuberkulosebazillen nach Eindringen in den Körper zunächst von den Makrophagen oder Fresszellen des Immunsystems verschlungen. Im Inneren des Makrophagen befinden sich flüssigkeitsgefüllte Bläschen (Phagosomen), die Radikale und Verdauungsenzyme enthalten, durch welche die Erreger normalerweise abgetötet werden. Mykobakterien werden zwar in diese Phagosomen eingeschlossen, hemmen aber deren Reifung. Die Folge: die antibakteriellen Wirkstoffe können nicht auf den Erreger einwirken. Auf diese Weise schafft sich M. tuberculosis einen Lebensraum zum Überleben.

Da wir den Erreger nicht eliminieren können, bleibt uns nichts anderes übrig als ihn mitsamt den infizierten Fresszellen vom übrigen Körper fernzuhalten. Die infizierten Makrophagen aktivieren T-Zellen, die chemische Signalstoffe abgeben. In der Folge versammeln sich aktivierte Makrophagen und andere Zellen und bilden einen dichten Wall um den Infektionsherd, das so genannte Granulom. T-Zellen im Innern des Granuloms passen auf, dass kein Erreger entwischt. M. tuberculosis kann diesen Belagerungszustand allerdings lange Zeit überdauern – bei über 90 Prozent aller Infizierten besteht ein lebenslanges Gleichgewicht zwischen immunologischer Kontrolle und Bakterium; bei etwa jedem zehnten Infizierten entwickelt sich jedoch – in der Regel aufgrund einer Schwächung des Immunsystems (z.B. durch eine Koinfektion mit HIV) – eine Tuberkulose.

Kostproben aus dem Zellinneren

Um die T-Zellen zu aktivieren, müssen „Kostproben“ von Antigene , winzige Proteinbruchstücke, an der Oberfläche des Makrophagen präsentiert werden. Die Antigene müssen dazu im Zytoplasma der Fresszelle vorliegen. Nur dort können sie aufbereitet und an kleine Moleküle, die so genannten MHC-Moleküle (engl. Abk. für Major Histocompatibility Complex) gekoppelt werden. Diese transportieren die Proteinbruchstücke an die Oberfläche des Makrophagen. Wie ein Fähnchen an den MHC-Molekülen flatternd signalisieren sie nun den körpereigenen Abwehrzellen die Infektion.

Doch wie gelangen die Erregerproteine in das Zytoplasma der Fresszelle? „Der Makrophage startet ein Selbstzerstörungsprogramm – wir nennen das den programmierten Zelltod – und zerfällt dabei in kleine Stücke, so genannte Vesikel, die voll gepackt sind mit mykobakteriellen Antigenen", erläutert Kaufmann. Diese Vesikel werden von nicht infizierten Nachbarzellen, in erster Linie den dendritischen Zellen, aufgenommen. Sie sind in der Lage, die „Antigen-Fähnchen“ an ihre MHC-Moleküle anzuheften, und lösen so auf eine höchst wirksame Weise die Immunantwort aus. Wird der programmierte Zelltod des Makrophagen im Experiment unterdrückt, werden auch keine T-Zellen aktiviert.

Der bisher gebräuchliche BCG-Impfstoff löst den programmierten Zelltod nur sehr selten aus. Folge: Die Bakterien bleiben nach einer Impfung im Phagosom der Fresszelle eingeschlossen und können somit die spezifischen T-Zellen nicht aktivieren. Die Berliner Wissenschaftler vermuten, dass der Impfstoff deshalb nicht richtig wirksam ist, und setzen auf eine gentechnisch veränderte Variante von BCG. Sie haben das Gen für ein porenbildendes Protein in das Genom des Impfbakteriums eingeschleust. Das Enzym Listeriolysin durchlöchert die Membranhülle des Phagosoms und „enttarnt“ damit die neue BCG-Variante gegenüber dem Immunsystem.

In präklinischen Modellen konnten die Forscher feststellen, dass der neue Impfstoff gegen Lungentuberkulose und sogar gegen die gefürchteten klinischen Isolate (ein Isolat ist eine Reinkultur der Erreger eines einzigen Patienten) vom Beijing-Typ schützt. Diese Beijing-Stämme, die meist therapieresistent und deutlich aggressiver sind, breiten sich derzeit über die Welt aus. „Wir hoffen, dass wir mit dem neuen Impfstoff eine wirksame Waffe gegen diese Bedrohung gefunden haben“, sagt Kaufmann.

Seit September 2008 wird der neue Impfstoff in Klinische Phase I-Studien an freiwilligen Probanden getestet. Doch selbst wenn er sich als verträglich erweist, muss er noch weitere Testphasen auf Wirksamkeit durchlaufen. „Das dauert mindestens noch zehn Jahre", so Kaufmann. Trotzdem - ein hoffnungsvoller neuer Impfansatz besteht.

Autorin: Dr. Christina Beck

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