Tick-borne encephalitis virus: novel vaccine approaches and search for correlates of protection against an emerging disease

Kubinski, Mareike

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Tick-borne encephalitis virus : novel vaccine approaches and search for correlates of protection against an emerging disease

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Weltweit werden jährlich bis zu 10.000 klinische Fälle der Frühsommer-Meningoenzephalitis (FSME) gemeldet, was FSME zu einer der wichtigsten Zecken-übertragenden Krankheit in Europa und Asien macht. Die meisten Patienten bleiben asymptomatisch, treten jedoch Symptome auf, dann zeigt das klinische Bild unterschiedliche Schweregrade, wobei das zentrale und autonome Nervensystem involviert sind. Einige Patienten leiden unter einem anhaltendem postenzephalitischen Syndrom und in seltenen Fällen verläuft die Krankheit tödlich. Der verursachende Erreger ist das Frühsommer-Meningoenzephalitis-Virus (FSMEV), welches zur Gattung Flavivirus der Familie Flaviviridae gehört. Neben den steigenden FSME-Fällen in vielen europäischen Ländern breitet sich das Virus in neue geographische Regionen innerhalb endemischer, aber auch bislang FSMEV-freier Länder aus. Obwohl FSME eine durch Impfung vermeidbare Krankheit ist und die zugelassenen, inaktivierten Impfstoffe eine hohe Wirksamkeit aufweisen, wurden Impfdurchbrüche in vollständig geimpften FSME-Patienten gemeldet und retrospektiv aufgedeckt. Die einzelsträngige, positiv-orientierte RNA des FSMEV kodiert für ein Polyprotein, welches in zehn einzelne Proteine gespalten wird. Von diesen sind das E Protein (envelope) und das Nicht-Strukturprotein 1 (NS1) die wichtigsten Antigene für eine schützende Immunität.

Rekombinante virale Vektoren, welche fremde Gene exprimieren, wurden in der Vergangenheit bereits umfangreich als neue Impfstoffansätze für klinisch wichtige Pathogene verwendet. Der Vorteil von viralen Vektoren als Impfstoffe ist, dass das gewünschte Gen innerhalb der Wirtszelle präsentiert wird und sekretiert werden kann, was zu einer humoralen und zellulären Immunantwort führt. Zu solchen Viren zählen das modifizierte Vaccinia-Virus Ankara (MVA), Familie Poxviridae, und das Influenza-A-Virus (IAV), Familie Orthomyxoviridae.

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei neue Impfstoffansätze basierend auf einem rekombinanten MVA und Neuraminidase-defizienten IAV designt, welche entweder die FSMEV Proteine prME (MVA-prME) oder NS1 (MVA-NS1, IAV-NS1) exprimieren. Die in vitro Charakterisierung zeigte, dass die jeweiligen FSMEV Gene erfolgreich integriert und exprimiert wurden und zudem wurde die Replikationsdefizienz aller drei rekombinanten Viren bestätigt. Um die Sicherheit und Immunogenität von MVA-prME, MVA-NS1 und IAV-NS1 zu untersuchen, wurden C57BL/6 Mäuse prime-boost geimpft. Da heterologe Impfstrategien die gewünschte Immunantwort erhöhen können, wurden heterologe prime-boost Impfungen bestehend aus MVA-NS1 und IAV-NS1 miteinbezogen. Alle Impfungen wurden gut vertragen und die rekombinanten Viren haben eine FSMEV- und Vektor-spezifische Antikörper- und T-Zell-Antwort induziert. Des Weiteren wurde die Schutzwirkung im selben Mausmodell durch prime-boost Impfung mit anschließender Infektion durch das FSMEV des Stammes Neudörfl untersucht. Die MVA-prME Impfung hat vollständig geschützt, obwohl keine sterile Immunität induziert wurde. Für MVA-NS1 und IAV-NS1 wurde nach homologer prime-boost Impfung nur ein verzögertes Versterben der Mäuse durch die Infektion beobachtet, wohingegen die heterologe prime-boost Impfung eine Teilprotektivität hervorrief.

Es ist bekannt, dass Antikörper die hauptsächlichen Schutzkorrelate gegen eine FSMEV-Infektion sind und dass T-Zellen entweder zum Beseitigen des Virus beitragen oder eine negative pathologische Auswirkung haben. In einer weiteren Studie dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Antikörper und T-Zellen, welche durch ein nah verwandtes, gering pathogenes Flavivirus, das Langat-Virus (LGTV), induziert wurden, kreuz-reaktiv gegenüber dem FSMEV sind. Außerdem wurde das Serum oder die CD3⁺ T-Zellen von LGTV-infizierten Donor-Mäusen in naїve Empfänger-Mäuse vor Infektion mit dem FSMEV transferiert. Der Transfer des Serums hat einen fast vollständigen Schutz geboten, wohingegen die CD3⁺ T-Zellen keinen Effekt hatten.

Da die FSME eine schwerwiegende Krankheit ist, die zugelassenen Impfstoffe allerdings manchmal keinen kompletten Schutz bieten, können die Daten aus dieser Arbeit dazu beitragen verbesserte FSME-Impfstoffe zu designen.

Worldwide up to 10,000 clinical cases of tick-borne encephalitis (TBE) are reported each year, making TBE one of the most important tick-transmitted disease in Europe and Asia. Most patients remain asymptomatic but when symptoms occur, the clinical picture is of varying degree of severity involving the central and autonomic nervous system. Some patients suffer from a lasting post-encephalitic syndrome and in rare cases, the disease ends fatal. The causative agent is the tick-borne encephalitis virus (TBEV), a member of the genus Flavivirus within the family Flaviviridae. Besides an increase of TBE cases in many European countries, the virus itself is spreading into novel geographical regions within already endemic or so far TBEV-free countries. Although TBE is a vaccination preventable disease and the approved inactivated vaccines have a high field effectiveness, several reports of vaccination breakthrough infections in TBE patients with complete immunization have been reported and retrospectively uncovered. The single-stranded, positive-sense RNA of TBEV encodes one polyprotein which is cleaved into ten separate proteins. From those, the envelope (E) and non-structural 1 (NS1) proteins are the most important antigens for a protective immunity.

Recombinant viral vectors expressing foreign genes were used extensively in the past as novel vaccine approaches for clinically important pathogens. The advantage of viral vectors as vaccines is that the gene of interest is presented within the host cell and can be secreted resulting in a humoral and cellular immune response. Among such viruses are the modified Vaccinia virus Ankara (MVA), family Poxviridae, and influenza A virus (IAV), family Orthomyxoviridae.

Within this thesis, two novel vaccine approaches based on a recombinant MVA and a neuraminidase-deficient IAV were designed to either express the TBEV prME (MVA-prME) or NS1 protein (MVA-NS1, IAV-NS1). The in vitro characterization confirmed the successful integration and expression of the respective TBEV genes and verified the replication deficiency of all three recombinant viruses. To assess the safety and immunogenicity of MVA-prME, MVA-NS1 and IAV-NS1, C57BL/6 mice were prime-boost vaccinated. Since heterologous vaccination strategies can enhance the desired immune response, heterologous prime-boost immunizations containing MVA-NS1 and IAV-NS1 were included. All vaccinations were well tolerated and the three recombinant viruses induced a TBEV- and vector-specific antibody and T cell response. Further, the protective efficacy was examined in the same mouse model by prime-boost vaccination with a subsequent challenge infection with TBEV strain Neudoerfl. MVA-prME vaccination afforded full protection, although a sterile immunity was not induced. For MVA-NS1 and IAV-NS1, homologous prime-boost vaccination only delayed a fatal outcome of infection, whereas heterologous prime-boost vaccination afforded partial protection.

It is well known that antibodies are the main correlate of protection against a TBEV infection and T cells can either contribute to viral clearance or have detrimental pathological effects. In a further study within this thesis, it was shown that antibodies and T cells induced by a closely related low pathogenic flavivirus, the Langat virus (LGTV), cross-react with TBEV. Moreover, sera or CD3⁺ T cells from LGTV infected donor mice were transferred into naïve recipient mice prior to challenge infection with TBEV. The transfer of serum afforded almost complete protection, whereas CD3⁺ T cells did not have any effect on the outcome.

Since TBE is a serious disease but the approved vaccines sometimes fail to afford complete protection, data from this thesis can contribute to the design of better TBE vaccines.