Enhancing neonatal immune responses with different vaccination strategies: Novel adjuvants and mucosal immunization.
Skrár
Jenny Lorena Molina Estupiñan-with articles.pdf (9.17 MB)
Dagsetning
Höfundar
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Útgefandi
University of Iceland, School of Health Sciences, Faculty of Medicine
Útdráttur
Vaccination remains a cornerstone of global public health, significantly reducing mortality rates in infants and children. Despite substantial progress, infectious diseases continue to be a leading cause of death for children under five years of age, with 2.3 million fatalities occurring globally in the first month of life in 2022 alone. Many of these infections peak in incidence and severity during early infancy, before routine immunizations are initiated or can provide sufficient protection, highlighting the need for more effective preventive strategies in early life. Neonatal vaccination offers a promising approach by inducing immunity from birth and shortening this vulnerable period, supported by universal healthcare contact at delivery and thus high potential vaccination coverage, particularly in resource-limited settings. An ideal neonatal vaccine would offer a single-dose, needle-free immunization, eliciting immediate and long-lasting protection against multiple diseases. However, neonatal vaccination is challenged by the immaturity of the immune system, characterized by dampened innate responses, a Th2-biased T cell response profile, impaired germinal center (GC) formation, limited plasma cell survival and transient antibody (Ab) production, often resulting in suboptimal and short-lived immunity. Overcoming these limitations could be done with the development of safe and effective adjuvants and optimized immunization routes capable of inducing rapid and durable protective immune responses in early life.
The overall aim of this thesis was to investigate how the route of immunization influences neonatal immune responses, with particular emphasis on intranasal (i.n.) versus subcutaneous (s.c.) vaccination, and how novel adjuvants modulate these responses to improve vaccine efficacy. Using a neonatal mouse model, we compared the effects of i.n. and s.c. administration with either mmCT or dmLT formulated with a pneumococcal conjugate vaccine, Pn1-CRM197, on serum Ab levels and Ab-secreting cells (ASCs) in the spleen and bone marrow (BM). Furthermore, we assessed the effects of immunization route, parenteral or mucosal administration, on the induction of B cell survival and activation receptors in the spleen, as well as plasma cell survival factors in the BM. Finally, we evaluated the dose-sparing capacity of the novel adjuvants mmCT, dmLT, CAF01 and CAF08b in comparison with the conventional adjuvant alum (aluminum hydroxide). Our focus was on primary neonatal Ab response, the persistence of ASCs and the protective capacity against two respiratory pathogens, Streptococcus pneumoniae and influenza virus.
The results demonstrate that the route of immunization differentially shaped the kinetics of neonatal B cell activation and survival signaling. I.n. immunization induced earlier upregulation of BAFF-R, whereas s.c. immunization promoted earlier TACI expression and BAFF production which occurred at later time point following i.n. immunization, indicating distinct sequential programming of B cell survival and activation pathways. Despite these differences, i.n. and s.c. immunization with Pn1-CRM197 and mmCT or dmLT enhanced GC responses and persistence of vaccine-specific ASCs in BM. Notably, i.n. immunization accelerated plasmablast/plasma cell differentiation, increased BCMA expression, promoted earlier establishment of APRIL-rich BM plasma cell survival niches and enhanced the accumulation of vaccine-specific ASCs in the BM. Thus, these mechanistic changes translated into accelerated and sustained systemic and mucosal Ab responses, including persistent IgA production, while maintaining systemic IgG responses comparable to those induced by s.c. immunization. Together, these findings demonstrate that mucosal immunization accelerates neonatal B cell maturation and the establishment of long-lived humoral immunity by promoting the timely acquisition of key survival signals required for plasma cell differentiation and maintenance. In addition, the novel adjuvants mmCT, dmLT, CAF01 and CAF08b enabled substantial antigen dose sparing while maintaining protective immune responses against both pneumococcal and influenza antigens, although the magnitude of this effect depended on the vaccine.
Collectively, this work demonstrates that rational selection of immunization routes and adjuvants can overcome key developmental limitations of neonatal immunity by promoting rapid B cell activation, durable plasma cell survival and long-lasting protective humoral immunity. In particular, i.n. immunization with Pn1-CRM197 and mmCT or dmLT enhanced systemic and mucosal humoral immune responses in the neonatal mouse model, highlighting the potential of mucosal vaccination with appropriate adjuvants as a promising strategy for accelerating protective immune responses early in life while simultaneously inducing systemic and mucosal immunity, providing important mechanistic and translational insights for the development of nextgeneration pediatric vaccines.
Bólusetningar eru ein áhrifaríkasta forvörn sem þróuð hefur verið og hafa leitt til verulegrar fækkunar dauðsfalla meðal ungbarna og barna á heimsvísu. Þrátt fyrir miklar framfarir eru smitsjúkdómar enn meðal helstu dánarorsaka barna undir fimm ára aldri. Árið 2022 létust 2,3 milljónir barna um allan heim áður en þau náðu eins mánaða aldri. Margir þessara sjúkdóma ná hámarki bæði hvað varðar nýgengi og alvarleika á fyrstu mánuðum ævinnar, áður en hefðbundnar bólusetningar eru hafnar eða hafa náð að veita fullnægjandi vörn. Þetta undirstrikar þörfina fyrir árangursríkari forvarnir á fyrsta æviskeiði. Bólusetning nýbura er því áhugaverð leið til að örva ónæmissvör frá fæðingu og stytta þetta viðkvæma tímabil. Þar sem nánast öll börn eru í snertingu við heilbrigðiskerfið við fæðingu er jafnframt mögulegt að ná mjög mikilli bólusetningarþekjun, ekki síst í löndum þar sem aðgengi að heilbrigðisþjónustu er takmarkað. Hin fullkomna nýburabólusetning væri einn skammtur af bóluefni, án nálarstungu, sem gæfi tafarlausa og langvarandi vörn gegn mörgum smitsjúkdómum. Slíkar bólusetningar eru þó mikil áskorun vegna vanþroskaðs ónæmiskerfis nýbura, sem einkennist af skertri virkjun ósérhæfða ónæmiskerfisins, Th2-ríkjandiT frumusvari, skertri myndun kímmiðja, takmarkaðri lifun plasmafrumna og skammvinnri mótefnamyndun, sem leiðir oft til veikrar og skammvinnrar ónæmisverndar. Unnt væri að vinna bug á þessum takmörkunum með þróun öruggra og öflugra ónæmisglæða og með því að velja bólusetningarleiðir sem stuðla að hraðri og langvarandi verndandi ónæmissvörun snemma á ævinni. Meginmarkmið þessa doktorsverkefnis var að rannsaka hvernig bólusetningarleiðir hafa áhrif á ónæmissvör nýbura, með sérstakri áherslu á samanburð á bólusetningu um nefslímhúð og hefðbundinni bólusetningu með stungu undir húð, og hvernig nýir ónæmisglæðar geta mótað og elft ónæmissvör. Notað var nýburamúsalíkan til að bera saman áhrif bólusetningaleiða um nefslímhúð og með stungu undir húð með pneumókokkafjölsykru-próteintengdu bóluefni, Pn1-CRM197, ásamt ónæmisglæðunum mmCT eða dmLT, á mótefnasvörun og myndun mótefnaseytandi frumna í milta og far þeirra í beinmerg. Jafnframt voru áhrif bólusetningarleiða á tjáningu viðtaka sem stjórna virkjun og lifun B frumna í milta rannsökuð, sem og þátta sem stuðla að lifun plasmafrumna í beinmerg. Að lokum var metin hæfni ónæmisglæðanna, mmCT, dmLT, CAF01 og CAF08b, til að draga úr bóluefnaskammti í samanburði við hefðbundna ónæmisglæðinn alum (álhýdroxíð). Sérstök áhersla var lögð á frumónæmissvar nýbura, viðvarandi mótefnaseytandi frumur og vernd gegn tveimur öndunarfærasýklum, Streptococcus pneumoniae og inflúensuveiru. Niðurstöðurnar sýndu að bólusetningarleið hafði afgerandi áhrif á tímasetningu tjáningar viðtaka sem stuðlar að virkjun B frumna og boðferla sem stjórna lifun þeirra. Bólusetning um nefslímhúð leiddi til hraðari tjáningar á viðtakanum BAFF-R, en bólusetning undir húð olli hraðari tjáningu á TACI og myndun bindilsins BAFF, sem komu fram síðar eftir bólusetningu um nefslímhúð. Þetta bendir til þess að þessar tvær bólusetningarleiðir virkji sömu boðleiðir en í ólíkri tímaröð. Þrátt fyrir þennan mun juku bólusetningar um nefslímhúð og með stungu undir húð með Pn1-CRM197 og mmCT eða dmLT myndun kímmiðjuhvarfs og viðhald á sértækum mótefnaseyttandi frumum í beinmberg. Athyglisvert var að bólusetning um nefslímhúð hraðaði sérhæfingu plasmablasta og plasmafrumna, jók tjáningu BCMA, stuðlaði að hraðari myndun APRILríkra lifunarsvæða fyrir plasmafrumur í beinmerg og jók uppsöfnun bóluefnissértækra mótefnaseytandi frumna í beinmerg. Þessar breytingar skiluðu sér í hraðari og langvinnari mótefnasvörum bæði í blóði og slímhúðum, þar á meðal viðvarandi myndun IgA mótefna, án þess að draga úr almennri IgG-mótefnasvörun samanborið við bólusetningu undir húð. Niðurstöðurnar sýna því að slímhúðarbólusetning flýtir fyrir þroskun B frumna og myndun langlífs vessabundins ónæmis með því að stuðla að tímanlegri virkjun lykilboðleiða sem eru nauðsynlegar fyrir sérhæfingu og viðhald plasmafrumna. Auk þess gerðu nýju ónæmisglæðarnir mmCT, dmLT, CAF01 og CAF08b kleift að draga verulega úr nauðsynlegum bóluefnaskammti án þess að skerða verndandi ónæmissvör gegn bæði pneumókokkum og inflúensuveiru, þó að umfang þessara áhrifa væri háð bóluefninu. Í heild sinni sýnir þessi rannsókn að markvisst val á bólusetningarleið og ónæmisglæðum getur yfirunnið mikilvægar takmarkanir í ónæmiskerfi nýbura með því að stuðla að hraðri virkjun B frumna, betri lifun langlífra plasmafrumna og viðvarandi verndandi mótefnasvörun. Sérstaklega, jók bólusetning um nef með mmCT eða dmLT bæði systemísk og slímhúðartengd ónæmissvör í nýburamúsalíkaninu. Niðurstöðurnar undirstrika möguleika slímhúðarbólusetningar með viðeigandi ónæmisglæði sé afar áhugaverð leið til að hraða myndun verndandi ónæmissvara snemma á ævinni, jafnframt því að örva bæði almennt og slímhúðartengt ónæmissvar. Rannsóknin veitir þannig mikilvæga innsýn í áhrif mismunandi bólusetningaleiða á ónæmissvör og getur jafnframt haft þýðingu fyrir þróun nýrra bóluefna fyrir ung börn.
Bólusetningar eru ein áhrifaríkasta forvörn sem þróuð hefur verið og hafa leitt til verulegrar fækkunar dauðsfalla meðal ungbarna og barna á heimsvísu. Þrátt fyrir miklar framfarir eru smitsjúkdómar enn meðal helstu dánarorsaka barna undir fimm ára aldri. Árið 2022 létust 2,3 milljónir barna um allan heim áður en þau náðu eins mánaða aldri. Margir þessara sjúkdóma ná hámarki bæði hvað varðar nýgengi og alvarleika á fyrstu mánuðum ævinnar, áður en hefðbundnar bólusetningar eru hafnar eða hafa náð að veita fullnægjandi vörn. Þetta undirstrikar þörfina fyrir árangursríkari forvarnir á fyrsta æviskeiði. Bólusetning nýbura er því áhugaverð leið til að örva ónæmissvör frá fæðingu og stytta þetta viðkvæma tímabil. Þar sem nánast öll börn eru í snertingu við heilbrigðiskerfið við fæðingu er jafnframt mögulegt að ná mjög mikilli bólusetningarþekjun, ekki síst í löndum þar sem aðgengi að heilbrigðisþjónustu er takmarkað. Hin fullkomna nýburabólusetning væri einn skammtur af bóluefni, án nálarstungu, sem gæfi tafarlausa og langvarandi vörn gegn mörgum smitsjúkdómum. Slíkar bólusetningar eru þó mikil áskorun vegna vanþroskaðs ónæmiskerfis nýbura, sem einkennist af skertri virkjun ósérhæfða ónæmiskerfisins, Th2-ríkjandiT frumusvari, skertri myndun kímmiðja, takmarkaðri lifun plasmafrumna og skammvinnri mótefnamyndun, sem leiðir oft til veikrar og skammvinnrar ónæmisverndar. Unnt væri að vinna bug á þessum takmörkunum með þróun öruggra og öflugra ónæmisglæða og með því að velja bólusetningarleiðir sem stuðla að hraðri og langvarandi verndandi ónæmissvörun snemma á ævinni. Meginmarkmið þessa doktorsverkefnis var að rannsaka hvernig bólusetningarleiðir hafa áhrif á ónæmissvör nýbura, með sérstakri áherslu á samanburð á bólusetningu um nefslímhúð og hefðbundinni bólusetningu með stungu undir húð, og hvernig nýir ónæmisglæðar geta mótað og elft ónæmissvör. Notað var nýburamúsalíkan til að bera saman áhrif bólusetningaleiða um nefslímhúð og með stungu undir húð með pneumókokkafjölsykru-próteintengdu bóluefni, Pn1-CRM197, ásamt ónæmisglæðunum mmCT eða dmLT, á mótefnasvörun og myndun mótefnaseytandi frumna í milta og far þeirra í beinmerg. Jafnframt voru áhrif bólusetningarleiða á tjáningu viðtaka sem stjórna virkjun og lifun B frumna í milta rannsökuð, sem og þátta sem stuðla að lifun plasmafrumna í beinmerg. Að lokum var metin hæfni ónæmisglæðanna, mmCT, dmLT, CAF01 og CAF08b, til að draga úr bóluefnaskammti í samanburði við hefðbundna ónæmisglæðinn alum (álhýdroxíð). Sérstök áhersla var lögð á frumónæmissvar nýbura, viðvarandi mótefnaseytandi frumur og vernd gegn tveimur öndunarfærasýklum, Streptococcus pneumoniae og inflúensuveiru. Niðurstöðurnar sýndu að bólusetningarleið hafði afgerandi áhrif á tímasetningu tjáningar viðtaka sem stuðlar að virkjun B frumna og boðferla sem stjórna lifun þeirra. Bólusetning um nefslímhúð leiddi til hraðari tjáningar á viðtakanum BAFF-R, en bólusetning undir húð olli hraðari tjáningu á TACI og myndun bindilsins BAFF, sem komu fram síðar eftir bólusetningu um nefslímhúð. Þetta bendir til þess að þessar tvær bólusetningarleiðir virkji sömu boðleiðir en í ólíkri tímaröð. Þrátt fyrir þennan mun juku bólusetningar um nefslímhúð og með stungu undir húð með Pn1-CRM197 og mmCT eða dmLT myndun kímmiðjuhvarfs og viðhald á sértækum mótefnaseyttandi frumum í beinmberg. Athyglisvert var að bólusetning um nefslímhúð hraðaði sérhæfingu plasmablasta og plasmafrumna, jók tjáningu BCMA, stuðlaði að hraðari myndun APRILríkra lifunarsvæða fyrir plasmafrumur í beinmerg og jók uppsöfnun bóluefnissértækra mótefnaseytandi frumna í beinmerg. Þessar breytingar skiluðu sér í hraðari og langvinnari mótefnasvörum bæði í blóði og slímhúðum, þar á meðal viðvarandi myndun IgA mótefna, án þess að draga úr almennri IgG-mótefnasvörun samanborið við bólusetningu undir húð. Niðurstöðurnar sýna því að slímhúðarbólusetning flýtir fyrir þroskun B frumna og myndun langlífs vessabundins ónæmis með því að stuðla að tímanlegri virkjun lykilboðleiða sem eru nauðsynlegar fyrir sérhæfingu og viðhald plasmafrumna. Auk þess gerðu nýju ónæmisglæðarnir mmCT, dmLT, CAF01 og CAF08b kleift að draga verulega úr nauðsynlegum bóluefnaskammti án þess að skerða verndandi ónæmissvör gegn bæði pneumókokkum og inflúensuveiru, þó að umfang þessara áhrifa væri háð bóluefninu. Í heild sinni sýnir þessi rannsókn að markvisst val á bólusetningarleið og ónæmisglæðum getur yfirunnið mikilvægar takmarkanir í ónæmiskerfi nýbura með því að stuðla að hraðri virkjun B frumna, betri lifun langlífra plasmafrumna og viðvarandi verndandi mótefnasvörun. Sérstaklega, jók bólusetning um nef með mmCT eða dmLT bæði systemísk og slímhúðartengd ónæmissvör í nýburamúsalíkaninu. Niðurstöðurnar undirstrika möguleika slímhúðarbólusetningar með viðeigandi ónæmisglæði sé afar áhugaverð leið til að hraða myndun verndandi ónæmissvara snemma á ævinni, jafnframt því að örva bæði almennt og slímhúðartengt ónæmissvar. Rannsóknin veitir þannig mikilvæga innsýn í áhrif mismunandi bólusetningaleiða á ónæmissvör og getur jafnframt haft þýðingu fyrir þróun nýrra bóluefna fyrir ung börn.
Lýsing
Efnisorð
Neonates, adjuvants, mucosal and parenteral immunization, humoral immune responses, dose-sparing capacity, Nýburar, Bólusetningar, Ónæmisfræði, Ónæmiskerfi, Læknisfræði