Science kürt Entwicklung von Covid-19-Impfstoffen zum wissenschaftlichen Durchbruch 2020

Die rasante Entwicklung gleich mehrerer hochwirksamer Impfstoffe gegen Covid-19 wurde vom Magazin Science zum wichtigsten wissenschaftlichen Durchbruch des Jahres 2020 gewählt. Außerdem finden sich unter den übrigen neun ausgewählten „Durchstartern“ drei weitere Meilensteine aus dem Bereich der Biomedizin.

Das Fachmagazin Science kürt jeden Dezember die bedeutendsten wissenschaftlichen Fortschritte des zu Ende gehenden Jahres. Für 2020 wird die Entwicklung von Impfstoffen zum Schutz vor der Covid-19-Erkrankung als „Wissenschaftlicher Durchbruch des Jahres“ ausgezeichnet. Insbesondere die Leistung, hochwirksame Impfstoffe in weniger als einem Jahr zu entwickeln, sei bahnbrechend. (1)

Nachdem sich Anfang 2020 abzeichnete, dass das neuartige Coronavirus zu einer Pandemie führen könnte, begannen im Februar erste Biotech- und Pharma-Firmen sowie öffentliche Forschungseinrichtungen mit der Entwicklung von Impfstoffkandidaten. Für das Impfstoffdesign benötigten viele von ihnen nur einige Tage bis wenige Wochen, bevor sie dann mit ersten Impfstoffkandidaten in die Erprobung im Labor und anschließend mit Tieren einstiegen. Die ersten klinischen Studien begannen im April und im November zeigte sich in den Ergebnissen der ersten großen Phase-III-Studien mit Zehntausenden von Teilnehmern, dass gleich mehrere Impfstoffe mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit vor einer Covid-19-Erkrankung schützen. (2)

Zu diesem Erfolg trugen viele Faktoren bei: Um schnellstmöglich einen wirksamen und sicheren Impfstoff zu entwickeln, schlossen viele Entwickler zum einen Allianzen. Zum anderen stieg durch die Vielzahl an Projekten die Erfolgswahrscheinlichkeit, insbesondere auch weil ganz verschiedene Technologien zum Einsatz kamen. (3) Mit den ersten beiden EU-Impfstoffzulassungen im Dezember 2020 und Januar 2021 liegt laut Science der wichtigste Schlüssel zur Beendigung der Pandemie und somit der Forschungsdurchbruch 2020 vor.

Zusätzlich zum Scientific Breakthrough wählt Science pro Jahr neun sogenannte „Runners-up“ aus, also Durchstarter, die ihre wissenschaftlichen Gebiete ebenfalls enorm vorangebracht haben. Dazu zählen 2020 vielversprechende Ergebnisse der ersten klinischen Anwendung einer Therapie, basierend auf der CRISPR/Cas9-Technologie – deren Entdeckerinnen erst im November 2020 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurden. CRISPR/Cas9 ist auch bekannt als „Genschere“ und ermöglicht mit geringem Aufwand sehr präzise Veränderungen an der DNA.

In der Ende 2020 veröffentlichten Studie beschreibt ein interdisziplinäres Team unter Beteiligung von Wissenschaftlern aus Tübingen und Regensburg nun die Ergebnisse der Behandlung von drei an der seltenen genetischen Blutkrankheit Beta-Thalassämie leidenden Menschen mit einer CRISPR/Cas-Therapie. Dabei wurden entnommene Blutstammzellen der Patientinnen und Patienten so modifiziert, dass in ihrem Erbgut die Produktion des fetalen Hämoglobins aktiviert wird. So kann der Körper nach der Re-Infusion der Stammzellen das bei Beta-Thalassämie gebildete defekte Hämoglobin ersetzen. Die behandelten Patientinnen und Patienten zeigen laut Studienteam deutliche Verbesserungen der Erkrankung wie das Ausbleiben von Krankheitsschüben und eine Reduktion der bei dieser Krankheit üblicherweise erforderlichen Bluttransfusionen. (4)

Die Abbildung "Gene Editing mit CRISPR/Cas9" können Sie sich auch als PDF-Datei oder hochaufgelöste JPG-Datei zur kostenfreien Verwendung herunterladen.

Auch bei der Entschlüsselung einer anderen Krankheit gelang 2020 ein entscheidender Erfolg: Ein Forschungsteam fand den Grund, warum es einem kleinen Teil aller HIV-Infizierten gelingt, ihre Erkrankung ohne antivirale Medikamente in Schach zu halten. Wie das Team im Sommer 2020 beschrieb, spielen dafür die Genorte eine entscheidende Rolle, an denen sich das HI-Virus versteckt. Als Retrovirus fügt es seinen Bauplan in den menschlichen genetischen Code ein, um sich fortlaufend zu vervielfältigen und zugleich vom Immunsystem nicht entdeckt werden zu können.

Grundlage der ausgewählten Studie waren Genomvergleiche zwischen 41 HIV-Infizierten, die auf eine antiretrovirale Therapie angewiesen sind, mit 64 Infizierten, deren Immunsysteme die erfolgreiche Bekämpfung des Virus ohne eine solche Therapie schaffen. Dabei zeigte sich, dass sich die Viren bei der zweiten Gruppe in fast der Hälfte der Fälle in „Wüsten“ des Genoms eingebaut hatten – also Regionen, in denen fast keine Gene liegen und die daher nicht ausgelesen werden. Hingegen traf dies bei Erkrankten unter Therapie nur auf etwa 17% der Zellen zu. Dort bauen sich die Viren meistens direkt in aktive Gene ein und werden daher verstärkt neu gebildet – für Science ein weiterer Durchstarter 2020. (5)

Besondere mediale Aufmerksamkeit zog im November 2020 die Meldung auf sich, dass es mit künstlicher Intelligenz (KI) gelang, den CASP (Critical Assessment of Protein Structure Prediction)-Wettbewerb zu gewinnen. Bei diesem geht es um die Vorhersage von 3D-Strukturen von Proteinen mithilfe von Computern. Dies ist eine besondere Herausforderung, da Proteine nach ihrer Produktion in der Zelle erst einen komplizierten Faltungsprozess durchlaufen müssen, bevor sie ihre stabile 3D-Struktur einnehmen. Dabei sind in der Natur diverse physikalische und chemische Kräfte sowie Faltungshelfermoleküle beteiligt.

Die Ermittlung der Faltung von Proteinen im Labor ist ein aufwendiger Prozess. Dass dieser dennoch unternommen wird, liegt daran, dass die Struktur eines Proteins dessen Funktion bestimmt und damit maßgeblich etwa für die Entwicklung neuer Wirkstoffe ist. Beim CASP-Wettbewerb treten verschiedene Algorithmen gegeneinander an und müssen für mehrere Proteine anhand ihrer Sequenzen die Faltung vorhersagen. Anschließend werden die Ergebnisse mit experimentellen Strukturen verglichen, die nur der Jury bekannt waren. Nachdem AlphaFold – eine KI-Software – bereits die beste Software bei der CASP-Runde vor zwei Jahren war, gelang es mit diesem System nun erstmals, Protein-Strukturen mit derselben Genauigkeit vorherzusagen, wie es bisher nur mit aufwendigen und z.T. langwierigen Laborexperimenten möglich gewesen ist. (6)

Doch nicht nur die medizinische Forschung kam 2020 in großen Schritten voran: Ebenfalls zu den Runners-up zählt Science etwa die Ermittlung der schwer fassbaren Quellen kurzer, sehr schneller Radioblitze (FRB) im Weltall. Astrophysikern gelang es mithilfe weltweit verteilter Detektoren, den Ursprung eines speziellen Ausbruchs in Neutronensternen mit intensiven Magnetfeldern zu identifizieren.

Verschiedene Forscherteams aus Deutschland und den USA veröffentlichten 2020 Ergebnisse ihrer Experimente, in denen es gelang, sogenannte Supraleiter herzustellen, die zwar sehr hohen Druck benötigen, aber dafür bei Raumtemperatur funktionieren. Da bisher verwendete Supraleitermaterialien, die Strom ohne Verlust von Energie in Form von Wärme leiten können, nur bei Temperaturen unter 180°C funktionieren, wurde auch diese Leistung als Runners-up gewürdigt.

Zu den Runners-up zählt Science des Weiteren zwei Studien, die zeigen, dass Vögel intelligenter sind, als die Wissenschaft bisher vermutete, sowie die Erforschung der ältesten bisher entdeckten Höhlenmalerei der Welt und noch präzisere Modelle zur Voraussage von meteorologischen Folgen des Klimawandels.

Das Jahr 2020 war aber nicht nur durch die Covid-19-Pandemie und besondere Forschungserkenntnisse geprägt, sondern auch durch eine Reihe sozialer Bewegungen, die etwa auf die Diskriminierung von Menschen mit anderen Hautfarben aufmerksam machen. Science zeichnet daher die #BlackIn_-Bewegung ebenfalls als Runners-up aus. Unter diesem Hashtag zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass Diversität und Gleichbehandlung essenzielle Werte der Forschung weltweit sind. (7)