Biokonjugat-Impfstoffe, die in Bakterien entwickelt werden, versprechen günstigeren und breiteren Schutz vor Krankheitserregern

Glykokonjugat-Impfstoffe zählen zu den sichersten und wirksamsten je entwickelten Impfstoffen und haben die weltweiten Raten von Meningitis und Lungenentzündung drastisch gesenkt. Durch die kovalente Verknüpfung eines bakteriellen Oberflächenglykans mit einem Trägerprotein lösen sie T-Zell-abhängige B-Zell-Antworten, eine langlebige IgG-Antikörperproduktion und immunologisches Gedächtnis aus – Vorteile, die reine Polysaccharid-Impfstoffe nicht bieten können. Trotz jahrzehntelanger Erfolge gegen Haemophilus influenzae Typ B, Neisseria meningitidis, Streptococcus pneumoniae und Salmonella Typhi bleibt die herkömmliche chemische Konjugationsmethode kostspielig, technisch anspruchsvoll und nur schwer anpassbar, was ihre Anwendung auf eine Handvoll Krankheitserreger beschränkt.

Die Biokonjugation, auch PGCT genannt, umgeht diese Einschränkungen, indem ein Glykan-Biosyntheseweg, ein Trägerprotein und ein Kopplungsenzym – typischerweise die Oligosaccharyltransferase PglB aus Campylobacter jejuni – gemeinsam in gentechnisch veränderten E. coli exprimiert werden. Das Glykan wird auf einem Undecaprenylpyrophosphat-Lipidträger assembliert und direkt auf Asparaginreste innerhalb eines D/E-X-N-Y-S/T-Sequons des Akzeptorproteins im bakteriellen Periplasma übertragen. Die gesamte Konjugation findet in einem einzigen Zellkompartiment statt, wodurch separate Reinigungs- und chemische Kopplungsschritte entfallen.

Auf der Glykanseite ermöglichen synthetisch-biologische Werkzeuge wie die Start-Stopp-Assemblierung ein sogenanntes „Pathway Refactoring": Jedes Gen eines Biosyntheseclusters wird von seiner nativen Regulation entkoppelt und mit standardisierten Promotor-, Ribosomenbindestellen- und Terminatoreinheiten neu kombiniert, wodurch optimierte Pathway-Bibliotheken entstehen. Dieser Ansatz verbesserte die Ausbeuten des C.-jejuni-Heptasaccharids und des Kapselpolysaccharids von Gruppe-B-Streptokokken erheblich. Das für Shigella flexneri demonstrierte Scaffold-Glykan-Engineering erlaubt es, ein konserviertes Polysaccharid-Grundgerüst mit serotypspezifischen Modifikationen zu versehen und so rasch Panels nativer und neuartiger Glykanstrukturen zu erzeugen.

Auf der Proteinseite ersetzen pathogenspezifische Trägerproteine, die durch Reverse Vaccinology identifiziert wurden, generische Toxoid-Träger und bieten potenziell doppelten Schutz, indem das Glykanantigen mit einem Proteinantigen desselben oder eines ko-infizierenden Erregers kombiniert wird. Neuartige Oligosaccharyltransferasen aus Organismen wie Desulfovibrio desulfuricans, Campylobacter lari und Neisseria-Spezies werden untersucht, um die Substratkompatibilität zu erweitern – einschließlich der Übertragung eukaryotenähnlicher Glykane und Kapselpolysaccharide grampositiver Bakterien. Gerichtete Evolution und durch maschinelles Lernen gestütztes OST-Engineering versprechen darüber hinaus Enzyme, die auf spezifische Glykan-Protein-Kombinationen zugeschnitten sind.

Mehrere Biokonjugat-Impfstoffe befinden sich derzeit in klinischen Studien, darunter ein quadrivalenter Shigella-Biokonjugat-Impfstoff in Phase II sowie Kandidaten gegen ExPEC, Campylobacter und Klebsiella. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die fortlaufenden Fortschritte in der Glykanexpression, im OST-Engineering und im Trägerproteindesign die Biokonjugation gemeinsam als transformative Plattform positionieren, um erschwingliche Glykokonjugat-Impfstoffe gegen antimikrobiell resistente Bakterien und vernachlässigte Krankheitserreger in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen bereitzustellen.