vaccination strategy based on virus-likeparticles - ETH E

Diss. ETH No. 15158
VACCINATION STRATEGY BASED ON VIRUS-LIKEPARTICLES
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
far the degree of
Doctor of Seiences
presented by
ANDREAJEGERLEHNER
Dipl. Natw. ETH
born 13th September 1969
citizen of Biglen, BE
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. H. Hengartner, examiner
Prof. Dr. H.M. Eppenberger, co-examiner
Dr. M.F. Bachmann, co-examiner
2003
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SUMMARY
SUMMARY
The aim of this work was the development of a vaccine strategy, which would allow the
induction of strong antibody responses against various antigens. The idea was to mimic
viruses which have highly organized viral surface antigens and therefore induce strong
antibody responses.
A molecular assembly system was developed in order to present virtually any antigen of
choice on highly repetitive virus-like particles (VLPs). Strong antibody responses against a
foreign model peptide (FLAG), against a peptide derived from the self protein TNF-a and
against a protein fragment derived from the bacterium Toxoplasma gondii could be elicited.
By comparing the immune response against an influenza peptide which was exposed either
mainly on the VLP-surface or inside of VLPs, it could be shown that a presentation on the
VLP surface is crucial.
Based on this technology, a study investigating the role of the antigen organization m
regulating B cell responses was performed. The same epitope was covalently attached to
VLPs with different degrees of epitope density and the specific antibody response was
studied. It was found that IgG but not IgM responses were regulated by the epitope density
and that costimulation via CD211CD35 was important for induction of IgG responses in the
case of sub-maximal epitope densities.
Finally, as a practical application of the studied vaccine strategy, a potential Influenza A
vaccine based on the extracellular domain of M2 was produced. M2 is a conserved Influenza
A protein, which would allow to induce antibodies which recognize all Influenza A strains.
The extracellular domain of M2 was covalently attached to the VLPs and it was shown that
mice immunized with this vaccine were protected against a Iethal challenge with Influenza A
virus. Protection induced by vaccination was further characterized and it was found that i)
protection is mediated via antibodies and not T cells, ii) antibodies fail to neutralize Influenza
virus, iii) antibodies act by binding to surface expressed M2 protein on virus infected cells,
iiii) protection is mediated via antibody-dependent natural killer cell activity and iiiii)
protection is rather weak compared to conventional Influenza vaccines which protect via
neutralizing antibodies.
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ZUSAMMENFASSUNG
ZUSAMMENFASSUNG
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Impfstoff-Strategie, mit deren Hilfe starke
Antikörper Reaktionen gegen beliebige Antigene hervorgerrufen werden könnten. Die Idee
war es, Viren nachzuahmen, die starke Antikörper Reaktionen hervorrufen, weil sie hochorganisierte Oberflächen-Antigene haben.
Es wurde ein molekulares Aufbausystem entwickelt, das die Präsentation von beliebigen
Antigenen an exponierter Lage auf hoch-repetitiven virus-ähnlichen Partikeln, so genannten
.virus like partic1es (VLP)" erlaubt Starke Antikörperreaktionen gegen ein körperfremdes
Modell-Peptide (FLAG), gegen ein Peptid eines körpereigenen Proteins, TNF-a, und gegen
ein Proteinfragment des Bakteriums Toxoplasma gondii konnten hervorgerufen werden. Ein
Vergleich der Immunantwort gegen ein Influenza Peptid, das entweder maximal exponiert auf
der Oberfläche des VLPs oder innerhalb des VLPs präsentiert wurde, zeigte, wie wichtig die
Präsentation an exponierter Lage ist.
Mit Hilfe der hier entwickelten Technologie wurde eine Studie durchgeführt, in der die Rolle
der Antigen-Organisation in der Regulation von B-Zell Antworten untersucht wurde. Ein
gleiches Epitop wurde in verschiedenen Dichtegraden an die VLPs gebunden und die Epitopspezifischen Immunantworten wurden gemessen. Die Höhe der Epitop-spezifischen IgG
Antwort wurde durch die Epitop-Dichte bestimmt, die IgM Antwort war nicht beeinflusst.
Costimulation via CD2l/CD35 war für die Induktion von IgG Antworten in solchen Fällen
wichtig, wo die Epitop-Dichte submaximal war.
Die neu entwickelte Impfstoffstrategie wurde angewandt, um einen potenziellen Influenza A
Impfstoff, basierend auf dem M2 Protein, herzustellen. M2 ist ein konserviertes Influenza A
Protein und anti-M2 Antikörper müssten deshalb alle bekannten Influenza A Stämme
erkennen. Die extrazelluläre Domäne von M2 wurde kovalent an die VLPs gebunden und es
konnte gezeigt werden, dass Mäuse, die mit diesem Impfstoff geimpft worden waren, gegen
eine tödliche Dosis Influenza A Virus geschützt sind. Der Schutzmechanismus, der in den
geimpften Mäusen hervorgerufen wird, wurde weiter charakterisiert und hat zu folgenden
Erkentnissen gefuhrt: i) der Schutz wird durch Antikörper und nicht T-Zellen vermittelt, ii)
die Antikörper haben keine neutralisierende Wirkung auf das Influenza Virus, iii) die
Antikörper wirken, indem sie an M2 Protein, das auf der Oberfläche von induzierten Zellen
exprimiert wird, binden, iiii) der Schutz wird via "antibody-dependent natural killer cell
activity" vermittelt und iiiii) verglichen mit konventionellen Influenza Impfstoffen, welche
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ZUSAMMENFASS UNG
via neutralisierende Antikörper schützen, zeigt der getestete neuartige Influenza A Impfstoff
eine verminderte Schutzwirkung.