Development of a novel vaccination strategy against Chagas disease
Chagas disease, caused by the protozoan parasite Trypanosoma cruzi, represents one of the major neglected tropical infectious disease. It is a major health problem in Latin America, but the infection is also spreading across the world as result of globalization. Absence of medical treatment leads to chronic infections, affecting people of all ages. Approximately one third of the chronically infected patients will suffer from gastro enteric or cardiac manifestations that can severely affect their quality of life and lead to death. The socio-economic burden is increased through the absence of vaccines and the existence of only a limited number of drugs, which are only active in the usually asymptomatic early infection phase and can be associated to a plethora of severe side effects. Thus, the development and rollout of a prophylactic vaccine represents the most realistic and cost-efficient measurement to control T. cruzi. This roadblock represents the main challenge addressed in this thesis. Namely, to develop an optimal vaccine formulation and immunization scheme able to stimulate the effector mechanisms required to clear T. cruzi infection. To this end, the production of the chimeric recombinant antigen Traspain was optimized and different formulations adjuvatend with the potent adjuvant bis-(3’,5’)-cyclic dimeric adenosine monophosphate (CDA) were investigated for their immunogenic potential following vaccination of mice exploiting different schemes and routes. Dose escalation studies revealed the absolute requirement of adjuvantation with CDA to stimulate robust humoral and cellular immune responses tailored to a balanced Th1/Th17 pattern. The immunogenicity peak was achieved by administering low doses of antigen. Thus, the vaccine formulation combining 10 μg Traspain with 50 μg of CDA appears to be the most efficient combination in stimulating optimal immune responses required for preventing T. cruzi infection. Collectively, the presented data obtained following mucosal vaccination via intranasal route reveal the presence of high IgG2a titers, induction of a preferential Th1- and Th17 response, elicitation of antigen-specific multifunctional and cytotoxic CD4+ and CD8+ T-cells and stimulation of IL-10 to counterbalance inflammation. Immunogenicity studies performed comparing different vaccination routes revealed the inability of conventional administration via the intramuscular route to stimulate a Th17-biased immune response, leading also to a much reduced Th1/Th2 response. Thus, focusing on the mucosal administration route, further immunization studies with the most promising vaccine formulation showed no sex- or age-specific detrimental effects on vaccine immunogenicity. Altogether, the knowledge generated in this thesis revealed the great potential of the optimized vaccine formulation encompassing 10 μg of Traspain and 50 μg CDA and the developed vaccination scheme to pave the way for the development of a vaccine candidate to protect against infections caused by T. cruzi. Efficacy studies in mice using the developed formulation and scheme as well as downstream vaccination studies performed in dogs and NHPs further support this assumption.
Die Chagas-Krankheit, hervorgerufen durch den einzelligen Parasiten Trypanosoma cruzi, gilt als eine der am meisten vernachlässigten tropischen Infektionskrankheiten. Sie stellt in Lateinamerika ein großes Gesundheitsproblem dar, breitet sich aber auch im Zuge der Globalisierung weltweit aus. Ohne medizinische Behandlung führt die Infektion zu einem chronischen Verlauf, von dem Menschen jeden Alters betroffen sein können. Ein Drittel der betroffenen Patienten werden im Laufe ihres Lebens gastroenterologische oder kardiale Erkrankungen erleiden, die die Lebensqualität drastisch einschränken und zum Tod führen können. Die sozioökonomische Belastung wird durch das Fehlen von Impfstoffen und einer limitierten Anzahl von Medikamenten verstärkt. Diese sind nur in der frühen, meist asymptomatischen, Infektionsphase wirksam und weisen eine Vielzahl von Nebenwirkungen auf. Ein prophylaktischer Impfstoff könnte die kosteneffizienteste Maßnahme darstellen, um Kontrolle über die Infektion mit T. cruzi zu erlangen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer optimalen Impfstoffformulierung, die in der Lage ist, notwendige Effektormechanismen zu stimulieren. Dazu wurde die Produktion des chimären rekombinanten Antigens Traspain optimiert. Verschiedene Formulierungen, die mit dem potenten Bis-(3‘,5‘)-zyklischen dimeren Adenosinmonophosphat (CDA) adjuvantiert wurden, konnten auf ihr immunogenes Potential nach Immunisierung in Mäusen hin untersucht werden. Dosiseskalations-Studien zeigten, dass die Zugabe von CDA absolut notwendig ist, um robuste humorale und zelluläre Immunantworten mit einer ausgewogenen Th1/Th17-Ausrichtung zu stimulieren. Das größte immunologische Level wurde mit niedrigen Antigendosen erreicht. Somit stellte die Impfstoffformulierung aus einer Kombination von 10 μg Traspain mit 50 μg CDA die effizienteste Formulierung dar, um optimale Immunantworten zu stimulieren, welche für die Vorbeugung einer Infektion mit T. cruzi nötig sind. Insgesamt zeigen die nach einer intranasalen Immunisierung erhaltenen Daten die Stimulation hoher IgG2a Antikörper-Titer, die Produktion Th1- und Th17-assoziierter Zytokine, die Stimulation multifunktionaler und zytotoxischer CD4+ und CD8+ T-Zellen und die Produktion von IL-10, um eine potentielle Entzündungsreaktion auszugleichen. Der direkte Vergleich verschiedener Impfstrategien zeigte, dass die klassische intramuskuläre Immunisierung keine Th17-ausgerichtete, sondern nur eine reduzierte Th1/Th2 Immunantwort stimulieren kann. Weitere intranasale Immunisierungsstudien mit dem effizientesten Impfstoffkandidaten wiesen auf keine negativen geschlechts- oder altersspezifischen Auswirkungen auf die Immunogenität hin. Zusammengefasst unterstreichen die generierten Daten das große Potential der optimierten Formulierung mit 10 μg Traspain + 50 μg CDA für die Entwicklung eines protektiven Impfstoffes in prä-klinischen Studien. Dies wird darüber hinaus durch Wirksamkeitsstudien mit dem vielversprechendsten Kandidaten in Mäusen sowie anschließenden Studien in Hunden und Primaten weiterhin bekräftigt.
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