Characterization of Langat virus- and vector-based vaccine approaches against tick-borne encephalitis virus

Das Frühsommer-Meningoenzephalitis (FSME)-Virus, welches zur Familie der Flaviviridae gehört, ist eine der relevantesten Zecken-übertragenen Viren Europas und Asiens. In den letzten Jahren hat die Zahl der Zecken, die FSME-Viren übertragen, zugenommen, die Endemiegebiete haben sich ausgeweitet und die Anzahl an gemeldeten FSME-Virus-Infektionen ist gestiegen. Humane Infektionen mit dem FSME-Virus verlaufen hauptsächlich asymptomatisch, können jedoch auch zu schweren Infektionen des zentralen Nervensystems führen, die unter dem Begriff Frühsommer-Meningoenzephalitis (FSME) zusammengefasst werden. Abhängig von Wirts- und Virus-spezifischen Eigenschaften kann eine FSME-Virus-Infektion mit langanhaltenden neurologischen Folgeschäden assoziiert sein oder sogar tödlich enden. Da es keine spezifischen antiviralen Therapien gibt, ist nur eine unterstützende Behandlung möglich. Dadurch gilt die Impfung gegen FSME als wichtigste protektive Maßnahme gegen eine FSME-Virus-Infektion. In Europa sind zwei Impfstoffe basierend auf Formalin-inaktivierten FSME-Viren verfügbar. Nichts desto trotz sind die Impfraten niedrig und die Impfschemata komplex mit zusätzlichen Auffrischungsimpfungen alle 3-5 Jahre. Eine nachlassende Virus-spezifische Immunität nach der Impfung und Infektionen trotz vollständiger Impfung (Impfdurchbrüche) wurden wiederholt beschrieben und deuten auf eine begrenzte Wirksamkeit der Impfstoffe in einigen Fällen hin. Ziel dieser Arbeit war es daher, alternative Impfstoffansätze zu untersuchen, um die Eigenschaften und Rolle der adaptiven Immunantwort gegen das FSME-Virus weiter aufzuschlüsseln.

Trotz fortlaufender Forschung an verschiedenen Impfstoffen gegen das FSME-Virus wurden das modifizierte Vaccinia-Virus Ankara (MVA) und attenuierte Influenza-A-Viren (IAV) in diesem Zusammenhang noch nicht untersucht. Impfstoffkandidaten basierend auf diesen Vektoren haben in vorangegangenen Studien gezeigt, dass sie effektiv humorale und Zell-vermittelte Immunität induzieren und in Tiermodellen, aber auch im Menschen, eine hohe Protektivität bieten können. Um ein besseres Verständnis der FSME-Virus-induzierten Immunität zu erlangen, wurden in dieser Arbeit zum ersten Mal rekombinante MVA und Neuraminidase-defiziente IAV zur Untersuchung der immunogenen und protektiven Eigenschaften verschiedener FSME-Virus-Proteine verwendet.

Aufgrund seiner immunogenen Eigenschaften und Rolle in Virusreplikation und Pathogenese, wurde als erstes das Nichtstrukturprotein 1 (NS1) des FSME-Virus als Antigen für nicht Strukturprotein-basierte Impfstoffkandidaten untersucht. Immunogenitätsstudien mit beiden Vektorimpfstoffen zeigten in Mäusen eine effiziente Induktion von Antigen-spezifischen humoralen und Zell-vermittelten Immunantworten, die durch die Anwendung heterologer Impfschemata weiter verstärkt werden konnten. Während die NS1-induzierte Immunität nach homologer Grund- und Auffrischungsimpfung das Überleben der Versuchstiere signifikant verlängerte, vermittelte die heterologe Impfung vollständigen Schutz vor der Erkrankung in bis zu der Hälfte der Tiere. Das verlängerte Überleben korrelierte dabei mit hohen NS1-spezifischen Antikörpertitern. Diese Daten suggerieren, dass NS1 als alleiniges Impfstoffantigen nicht ausreichend ist, dessen Kombination mit Strukturproteinen, die Virus-neutralisierende Antikörper induzieren, jedoch ein vielversprechender Ansatz für FSME-Virus-Impfstoffe der nächsten Generation sein könnte.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein rekombinanter MVA-Impfstoffkandidat, der die Strukturproteine prM und E des FSME-Virus exprimiert, hergestellt und charakterisiert (MVA-prME). Das E-Protein stellt dabei das Hauptziel der Immunantwort dar und in Kombination mit prM sollte eine korrekte, immunogene Expression von E erzielt werden. Die Immunogenität und schützende Wirkung wurden im Vergleich zu dem bereits lizensierten Impfstoff FSME-IMMUN® in Mäusen getestet. MVA-prME erwies sich als sehr immunogen, was sich in der robusten Induktion von Virus-neutralisierenden Antikörpertitern vergleichbar zu denen von FSME-IMMUN® geimpften Mäusen zeigte, sowie in Antigen-spezifischen T-Zell-Antworten, die bei FSME-IMMUN®-geimpften Mäusen nicht nachweisbar waren. Die Impfung mit MVA-prME schützte alle Mäuse vollständig vor einer tödlichen FSME-Virus-Infektion und den damit verbundenen histopathologischen Veränderungen im Gehirn und Darm. Somit könnte MVA-prME einen vielversprechenden Impfstoff der nächsten Generation zur Prävention von FSME darstellen.

Neben den Vektor-basierten Impfstoffansätzen gelten auch Lebendimpfstoffe als sehr effektiv. In den 1970ern wurde daher das mit dem FSME-Virus eng verwandte, apathogene Langat-Virus (LGTV) als attenuierte Lebendvakzine gegen das FSME-Virus in der ehemaligen Sowjetunion getestet. Dabei wurden hohe Serokonversionsraten mit langanhaltenden Antikörperantworten beobachtet und eine überlegene Schutzwirkung im Vergleich zu inaktivierten Impfstoffen nachgewiesen. Da ca. 1 : 18 000 der Geimpften an einer Meningoenzephalitis erkrankte, wurde dieser Ansatz jedoch nicht weiter verfolgt. Die kreuzreaktive LGTV-induzierte Immunität und damit verbundene protektive Immunsystem-Komponenten wurden nicht im Detail analysiert. Um diese Fragen weiter zu adressieren wurden Immunogenitätsstudien und adoptive Transferexperimente in Mäusen durchgeführt. Neben hohen Virus-neutralisierenden Antikörpern konnten kreuzreaktive Antikörper gegen das E- und NS1-Protein nachgewiesen werden. Für die T-Zell-Antwort wurde eine mäßige Kreuzreaktivität gegen das E-protein beobachtet, im Gegensatz zu einer hohen Anzahl an kreuzreaktiven T-Zellen gegen die FSME-Virus-Proteine NS3 und NS5. Adoptive Transferexperimente zeigten, dass Antikörper eine protektive Komponente des Immunsystems darstellen, wohingegen LGTV-induzierte CD3⁺ T-Zellen alleine nicht vor einer FSME-Virus-Infektion schützen konnten. Die Entwicklung von zukünftigen FSME-Virus-Impfstoffen kann von diesem verbesserten Verständnis der kreuzreaktiven Immunität gegen FSME-Viren und der Identifizierung von Schutz-vermittelnden Komponenten profitieren.

Zusammenfassend liefern die in dieser Arbeit generierten Daten wertvolle Informationen zum genaueren Verständnis der spezifischen und kreuzreaktiven Immunität und deren protektive Wirkung gegen das FSME-Virus. Diese Erkenntnisse können dazu beitragen, verschiedene Aspekte der schützenden Immunität besser zu verstehen, insbesondere im Hinblick auf Impfdurchbrüche, und können bei der Entwicklung künftiger therapeutischer Ansätze oder Impfstoffe von Nutzen sein. MVA und IAV haben nicht nur ihr Potenzial als Impfstoffvektoren unter Beweis gestellt, sondern können auch der künftigen Untersuchung von Flavivirus-Antigenen und deren Eigenschaften dienen.