Heterologous and homologous prime-boost immunization strategies to enhance immune responses in early life

Abstract

In early life the immune system is characterized by generation of weaker and less durable vaccine-induced antibody responses than in adulthood. This poses a major challenge for the development of vaccines targeting pathogens that require that both strong systemic and mucosal immune responses are elicited to achieve protective immunity. The overall aim of this thesis project was to determine how heterologous prime-boost immunization routes in comparison with the conventional parenteral homologous immunization shape early life humoral immunity to a pneumococcal conjugate vaccine, Pn1-CRM197, and to develop and characterize immunization strategies capable of improving both systemic and mucosal responses in early life. A neonatal mouse model was used in the study. Mice were immunized with Pn1-CRM197 formulated with the adjuvants CAF01 or mmCT for subcutaneous or intranasal administration, respectively. Across this PhD study, vaccine-specific IgG and IgA antibody responses, antibody-secreting cells, germinal center activity, T follicular helper and T follicular regulatory cells, memory B cell generation, plasmablast/plasma cell differentiation and their expression of the survival and activation receptors BAFF-R, TACI and BCMA were examined in spleen, cervical and inguinal lymph nodes and bone marrow. Immunization schedules that included a mucosal administration enhanced vaccinespecific IgA responses in serum and mucosal compartments compared with homologous subcutaneous immunization. However, heterologous subcutaneous priming followed by intranasal booster, while improving mucosal output and generating combined systemic–mucosal responses, did not induce systemic IgG responses comparable to homologous subcutaneous/subcutaneous immunization. Our results showed that the routes of immunizations determined the anatomical site of germinal center induction and shaped the germinal center output. Homologous subcutaneous/subcutaneous immunization preferentially induced germinal center responses in spleen and inguinal lymph nodes, promoted plasmablast/plasma cell differentiation in spleen, increased expression of the survival receptor BCMA on plasma cells in inguinal lymph nodes and yielded high systemic IgG responses. In contrast, heterologous subcutaneous/intranasal immunization redirected the induction of plasmablast/plasma cells responses, BCMA expression toward cervical lymph nodes and favoured the generation of IgM⁺ germinal center-derived memory B cells in all lymphoid organs assessed, and with enhanced BAFF-R and TACI expression, receptor crucial for survival and re-activation, together with stronger IgA responses. The major finding of my study was that reversal of the heterologous immunization schedule, consisting of intranasal priming and subcutaneous booster, successfully overcame the main limitation of the heterologous immunization schedule. It preserved the mucosal advantage of intranasal immunization while inducing systemic IgG responses comparable to homologous subcutaneous/subcutaneous immunization, alongside enhanced serum and salivary IgA responses, increased bone marrow homing of BCMA⁺ plasmablasts/plasma cells, expanded memory B cell output but maintained the favoured generation of IgM⁺ germinal center-derived memory B cells in all lymphoid organs. Together, these studies demonstrate that in early life, the route and order of primeboost immunization affect not only the magnitude, but also the localization and quality of humoral immunity. Among the immunization strategies tested, intranasal priming followed by subcutaneous booster emerged as the most suitable approach, combining robust systemic immunity and mucosal responses, enhanced bone marrow homing of BCMA⁺ plasmablasts/plasma cells and expanded memory B cell output. These findings provide a framework for the rational design of early life vaccination strategies against respiratory pathogens.Ónæmiskerfi nýbura einkennist af minni og skammlífari mótefnasvörun við bólusetningum en hjá fullorðnum. Það er því mikil áskorun að þróa bóluefni gegn sýklum sem nauðsynlegt er að veki bæði öflugt útbreitt og slímhúðarbundið ónæmissvar hjá nýburum til að ónæmið sem myndast sé verndandi. Aðalmarkmið þessa doktorsverkefnis var að ákvarða hvort ólíkar leiðir við frum- og endurbólusetningu, samanborið við hefðbundna samskonar stungubólusetningu undir húð móti eðli vessabundins ónæmissvars gegn próteintengdu pneumókokkafjölsykrubóluefni, Pn1-CRM197. Einnig að þróa og skilgreina bólusetningarleiðir sem geta aukið og bætt bæði útbreitt og slímhúðarbundið ónæmissvar ungviðis. Nýburamúsalíkan var notað í rannsókninni. Nýburamýs voru bólusettar með Pn1-CRM197 ásamt ónæmisglæðunum CAF01 eða mmCT við stungubólusetningu undir húð eða með nefdropum. Í doktorsrannsókninni voru mæld IgG og IgA mótefni, sértæk fyrir bóluefnið og mótefnaseytandi frumur sömuleiðis, virkni kímstöðvarhvarfa, T hjálpar- og T stýrifrumur í eitilfrumubúum, myndun B minnisfrumna, sérhæfing plasmablasta og plasmafrumna og tjáning þeirra á lifunar- og virkjunarviðtökunum BAFF-R, TACI og BCMA í milta, háls- og náraeitlum, og beinmerg. Bólusetningaraðferðir sem innihéldu bólusetningu um slímhúð nefsins með nefdropum juku myndun bóluefnissértækra IgA mótefna í sermi og slímhúðarvefjum samanborið við frum- og endurbólusetningu með stungu undir húð. Þótt ólíkar bólusetningarleiðir með frumbólusetningu undir húð og síðan endurbólusetningu um slímhúð nefsins ykju slímhúðarónæmissvör og vektu bæði útbreidd og slímhúðarbundin ónæmissvör var útbreidda IgG svarið lægra en það sem myndaðist við bæði frum- og endurbólusetningu með stungu undir húð. Niðurstöður okkar sýndu að bólusetningarleiðirnar ákvörðuðu í hvaða eitilvefjum kímstöðvarhvörf mynduðust og höfðu áhrif á sérhæfingu og hlutföll þeirra eitilfrumna sem mynduðust. Frum- og endurbólusetning með stungu undir húð olli fyrst og fremst kímstöðvarhvörfum í milta og náraeitlum, hvatti sérhæfingu plasmablasta og plasmafrumna í milta, jók tjáningu á lifunarviðtakanum BCMA á plasmafrumum í náraeitlum og olli öflugu útbreiddu IgG mótefnasvari. Andstætt því olli frumbólusetning með stungu undir húð og síðan endurbólusetningu um slímhúð nefsins myndun plasmablasta og plasmafrumna og BCMA tjáningu þeirra í hálseitlum. Hún leiddi líka sérstaklega til myndunar IgM⁺ minnisfrumna frá kímstöðvum í öllum eitilvefjum sem voru rannsakaðir og jók tjáningu þeirra á BAFF-R og TACI, viðtökum sem eru afgerandi fyrir lifun og endurræsingu þeirra, ásamt því að vekja sterkari IgA mótefnasvör. Mikilvæg niðurstaða rannsókna minna var að með því að breyta röð ólíkra bólusetningarleiða og frumbólusetja um slímhúð nefsins en endurbólusetja með stungu undir húð tókst að yfirvinna helstu takmarkanir af notkun ólíkra bólusetningarleiða í frum- og endurbólusetningu. Þá hélst kostur bólusetninga um nefslímhúð og myndun slímhúðarónæmis. Útbreitt IgG ónæmissvar var sambærilegt því sem fékkst með frumog endurbólusetningu með stungu undir húð, ásamt auknum IgA mótefnum í sermi og munnvatni, auknu fari BCMA⁺ plasmablasta og plasmafrumna í beinmerg og aukinni myndun B minnisfrumna. Jafnframt hélst aukin myndun IgM⁺ B minnisfrumna frá kímstöðvum í öllum eitilvefjum sem voru rannsakaðir. Niðurstöður rannsóknanna sýndu að ólíkar bólusetningaleiðir og röð þeirra við frumog endurbólusetningu nýburamúsa hefur ekki einungis áhrif á styrk ónæmissvara, heldur einnig hvar þau myndast sem og eiginleika og gæði vessabundna ónæmisins. Meðal þeirra bólusetningaraðferða sem voru prófaðar reyndist frumbólusetning um slímhúð nefnsins og síðan endurbólusetning með stungu undir húð vænlegust. Hún sameinaði öflugt útbreitt ónæmi og slímhúðarónæmissvör, jók far BCMA⁺ plasmablasta og plasmafrumna í beinmerg og jók myndun B minnisfrumna. Þessar niðurstöður leggja grunn að skynsamlegri hönnun bólusetningaraðferða fyrir ungviði gegn öndunarfærasýklum.