Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleich verschiedener Immunisierungsstrategien gegen Streptococcus suis beim Schwein: Zusammenhang zwischen humoraler Immunantwort und Protektion

Kock, Christoph

S. suis is an important cause of septicaemia, meningitis, serositis, arthritis and pneumonia in pigs. Thirty-three serotypes have been described serotypes 2 and 9 are most frequently associated with disease in Europe. Autogenous bacterins only provide partial, serotype specific protection. The humoral immune response is of crucial importance for protection against S. suis infection. Thus, in this study the humoral immune responses of weaning piglets against four different S. suis vaccines were compared, (I) a S. suis serotype 2 bacterin, (II) a surface-associated protein subunit vaccine, (III) a serotype 2 capsular polysaccharide conjugate vaccine and (IV) a live vaccine, based on an attenuated isogenic ofs  serotype 2 mutant. An important objective of this work was the identification of a prognostic indicator for protection in S. suis vaccination. Therefore, the humoral immunogenicities of the different S. suis vaccines were compared quantitatively and qualitatively. The protective efficacies of the vaccines I, II and IV were determined in homologous serotype 2 and heterologous serotype 9 challenge experiments, which, for vaccines I and II, were already completed in an earlier work and, in case of vaccine IV, were part of this study. In case of vaccine III only the immune response was investigated. The bacterin caused protection against the homologous highly virulent serotype 2 strain but protection against the heterologous challenge was low. The subunit vaccine and the live vaccine neither induced homologous nor heterologous protection. Firstly, the sera of the experimental animals were investigated in an ELISA against different antigens of S. suis. All animals were tested for antibodies against the capsule, while whole-serum-IgG against EF, MRP and suilysin was determined for the live vaccine and IgG-isotyping of antibodies against SAO and MRP was done for the bacterin and subunit vaccine. All sera were screened in an opsonophagocytosis-assay and the sera from the live vaccine trial were additionally tested in a suilysin-neutralization assay. All investigated vaccines induced a significant increase of serum-IgG-titers against antigens of S. suis. Both application of the bacterin and subunit vaccine resulted in high specific IgG1- and IgG2-titers against the surface-antigens MRP and SAO, with IgG2 as the predominant isotype in all groups. Anti-SAO-IgG2-titers of the subunit vaccine group were marginally higher than in the bacterin group. Accordingly, a correlation between high IgG2-titers and protection was not observed. A substantial immune response against the capsule was only elicited by the capsule conjugate vaccine. The live vaccine mainly induced high titers against suilysin. Accordingly, suilysin-neutralizing antibodies were detectable. In contrast to the live and the subunit vaccine, the application of the bacterin and the capsule conjugate vaccine led to the production of opsonizing antibodies against the serotype 2 strain. This was accompanied by a significant protection in the bacterin group. Furthermore, the opsonophagocytic titers of the single animals correlated with protection against an infection with the serotype 2 strain.  In accordance with the poor protection against the serotype 9 challenge, significant opsonizing antibody titers against the serotype 9 strain were not induced. Preadsorption of sera with the serotype 2 wildtype or its capsular mutant showed that, in contrast to the capsular conjugate vaccine trial, the opsonizing antibodies of the animals from the bacterin trial were not directed against the capsule. The results of this work suggest that the protective efficacies of the vaccines were related to their ability to induce opsonizing antibodies against the challenge strain. In contrast, high IgG2-titers against MRP and SAO as well as moderate suilysin-neutralization titers were not associated with protection. Interestingly, unlike all other tested vaccines, the application of the capsule conjugate vaccine elicited opsonizing antibodies against the capsule. Based on the results of this work future studies should be designed to identify vaccine candidates, which induce opsonizing antibodies against the most important serotypes of S. suis. Thus, the capsule conjugate vaccine presented in this work may be a promising candidate of which the protective efficacy should be tested in future challenge experiments.

S. suis ist ein bedeutsamer Erreger von Septikämien, Meningitiden, Serositiden, Arthritiden und Pneumonien beim Schwein. Es wurden 33 Serotypen beschrieben, wobei die Serotypen 2 und 9 in Europa am häufigsten mit dem Auftreten von Krankheiten in Verbindung stehen. Bestandsspezifische Ganzzellvakzinen vermitteln nur einen partiellen, serotypspezifischen Schutz. Der humoralen Immunantwort kommt bei der Protektion gegenüber S.-suis-Infektionen eine hohe Bedeutung zu. In dieser Arbeit erfolgte daher die vergleichende Charakterisierung der humoralen Immunantwort von Absetzferkeln auf vier unterschiedliche S.-suis-Vakzinen, (I) eine S.-suis-Serotyp-2-Ganzzellvakzine, (II) eine Subunitvakzine aus Oberflächenproteinen, (III) eine Serotyp-2-Kapselkonjugatvakzine und (IV) eine Lebendvakzine basierend auf einer attenuierten isogenen ofs Serotyp-2-Mutante. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung eines prognostischen Indikators für die protektive Wirkung von S.-suis-Vakzinen. Hierfür sollte ermittelt werden, welche quantitativen und qualitativen Unterschiede zwischen den humoralen Immunantworten auf die verschiedenen S.-suis-Immunisierungen bestehen. Die Schutzwirkung der Vakzinen I, II und IV wurde durch experimentelle Belastungsversuche mit einem homologen Serotyp-2- und einem heterologen Serotyp-9-Stamm bestimmt, die im Fall der ersten beiden Vakzinen bereits abgeschlossen waren, beziehungsweise im Fall der Lebendvakzine im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Für die Vakzine III wurde ausschließlich die Immunantwort untersucht. Die Applikation der Ganzzellvakzine bewirkte eine signifikante Protektion gegenüber dem homologen hochvirulenten Serotyp-2-Stamm. Gegenüber der heterologen Belastung war jedoch kein deutlicher Schutz vorhanden. Die Subunitvakzine und die Lebendvakzine zeigten weder eine homologe noch eine heterologe Schutzwirkung. Die Seren der Versuchstiere wurden zunächst im ELISA auf Antikörper gegen verschiedene S.-suis-Antigene untersucht. Alle Versuchstiere wurden auf Antikörper gegen die Kapsel getestet, während die Ermittlung des gesamt-Serum-IgG gegen EF, MRP und Suilysin für die Lebendvakzine und die IgG-Isotypisierung der Antikörper gegen SAO und MRP für die Ganzzell- und Subunitvakzine erfolgte. Ferner wurden alle Seren im Opsonophagozytose-Test und darüber hinaus die Seren aus dem Lebendvakzineversuch im Suilysin-Neutralisationstest untersucht. Alle untersuchten Vakzinen induzierten einen signifikanten Anstieg der Serum-IgG-Titer gegen Antigene von S. suis. Sowohl die Applikation der Ganzzell- als auch der Subunitvakzine resultierten in hohen, spezifischen IgG1- und IgG2-Titern gegen die Oberflächenantigene MRP und SAO, dabei war IgG2 in allen Gruppen der dominierende Isotyp. Die anti-SAO-IgG2-Titer der Subunitvakzinegruppe waren geringfügig höher als die der Ganzzellvakzinegruppe, eine Korrelation hoher IgG2-Titer mit Protektion konnte somit nicht festgestellt werden. Eine deutliche Immunantwort auf die Kapsel konnte nur durch die Kapselkonjugatvakzine erreicht werden. Die Lebendvakzine löste vor allem hohe Titer gegen Suilysin aus. Damit übereinstimmend wurden auch Suilysin-neutralisierende Antikörper gebildet. Im Gegensatz zur Lebend- und Subunitvakzine führte die Applikation sowohl der Ganzzell- als auch der Kapselkonjugatvakzine zur Bildung opsonisierender Antikörper gegen den Serotyp-2-Stamm. Dies ging in der Ganzzellvakzinegruppe mit einer signifikanten Protektion einher. Darüber hinaus korrelierten auch die opsonophagozytotischen Titer der Einzeltiere mit dem Schutz gegen eine Infektion mit dem Serotyp-2-Stamm. Im Einklang mit der geringen Protektion gegenüber der Serotyp-9-Belastung wurden durch alle Vakzinen auch nur wenig opsonisierende Antikörper gegen den Serotyp-9-Stamm induziert. Die Präadsorption von Seren mit dem Serotyp-2-Wildtyp oder einer kapsellosen Mutante zeigte, dass sich die opsonisierenden Antikörper der Tiere aus dem Ganzzellvakzineversuch im Gegensatz zum Konjugatvakzineversuch nicht gegen die Kapsel richteten. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die protektive Wirksamkeit der Vakzinen im Zusammenhang stand mit ihrer Fähigkeit zur Induktion opsonisierender Antikörper gegen den Belastungstamm. Im Gegensatz dazu konnten hohe IgG2-Titer gegen MRP und SAO ebenso wie mäßige Titer Suilysin-neutralisierender Antikörper nicht mit einer Protektion in Verbindung gebracht werden. Im Unterschied zu allen anderen getesteten Vakzinen löste die Kapselkonjugatvakzine eine Bildung opsonisierender Antikörper gegen die Kapsel aus. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit sollten zukünftige Studien darauf ausgelegt sein, Vakzinekandidaten zu identifizieren, welche opsonisierende Antikörper gegen die wichtigsten Serotypen von S. suis induzieren. Mit der in dieser Arbeit vorgestellten Kapselkonjugatvakzine steht daher ein viel versprechender Impfstoff zur Verfügung, dessen protektive Eigenschaften in Belastungsexperimenten evaluiert werden sollten.

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Kock, Christoph: Vergleich verschiedener Immunisierungsstrategien gegen Streptococcus suis beim Schwein: Zusammenhang zwischen humoraler Immunantwort und Protektion. Hannover 2009. Tierärztliche Hochschule.

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