PROTEIN VACCINE AGAINST NEONATAL GROUP B STREPTOCOCCAL INFECTION Immunization experiments in animals and a serological study in humans

Abstract

Infection with group B streptococcus (GBS), an encapsulated bacterium, is an important cause of neonatal morbidity and mortality. Capsular polysaccharides and cell surface proteins of GBS are candidate antigens for development of a human GBS vaccine. Proteins have many advantages as vaccine antigens. The majority of the neonatal infections are caused by strains of capsular serotypes Ia, Ib, II, III, and V. More than 80% of these strains express protein α, Rib or Rib-like protein. The possible role of the cell surface proteins α and Rib for a protein-based GBS vaccine was explored in three experimental studies on mice and one observational study of neonates and their mothers. Mice immunized s.c. with a highly purified preparation of Rib mixed with Freund’s adjuvant, were protected against lethal i.p. challenge with each of four GBS strains expressing Rib and partially against a strain expressing α. Immunization with α protected against infection with each of two strains expressing α, but not against a strain expressing Rib. A bivalent vaccine of Rib and α with alum, an adjuvant commonly used in human vaccines, conferred protection against lethal i.p. challenge with each of four GBS strains of serotypes Ia, Ib, II, and III. Intranasal immunization of mice with protein Rib conjugated to or mixed with cholera toxin B subunit induced systemic and local genital antibody response. This mucosal immunization protected the mice against a lethal i.p. challenge with a GBS type III strain expressing Rib. Sera were collected from neonates with invasive GBS infection, from their mothers and from non-infected referents. There was an association between low levels of naturally acquired antibodies to α and Rib and invasive infection with strains expressing Rib in sera collected from neonates, which indicates that antibodies to GBS proteins are involved in the defence against GBS disease. The results from the immunization experiments in mice and the serological study in neonates are encouraging for the development of a human vaccine based on GBS cell surface proteins.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Grupp B streptokocker (GBS) är den vanligaste orsaken till blodförgiftning, lunginflammation och hjärnhinneinflammation i nyföddhetsperioden. Ungefär en fjärdedel av alla kvinnor är koloniserade (bärare) genitalt av GBS under graviditeten och förlossningen. Hälften av barnen till dessa kvinnor blir smittade av bakterien i samband med födseln, men bara en liten del av de smittade barnen blir sjuka. Ett effektivt vaccin mot GBS-infektion finns ännu inte tillgängligt, men intensiv forskning bedrivs på detta område.



Bakterien omges av en kapsel som är uppbyggd av kolhydrater (sockermolekyler). Kapseln är viktig för bakteriens förmåga att orsaka sjukdom. Studier har visat på ett samband mellan nivåerna i serum av antikroppar mot kapseln och risk för infektion. Vaccinforskningen har därför länge koncentrerats på att få fram ett vaccin baserat på dessa kolhydrater. Det finns emellertid en del nackdelar med att basera ett vaccin på kolhydrater, bl. a. därför att kroppens immunförsvar är sämre på att bilda antikroppar mot sådana molekyler. För att förbättra vaccinets förmåga att framkalla ett bra antikroppssvar, så kan man koppla ihop (konjugera) kolhydraten med ett protein, (bärarprotein) och man får då ett konjugatvaccin.



Baserat på olikheter i kapselns uppbyggnad så indelas GBS i olika serotyper. Det finns sammanlagt nio olika serotyper. Fem av dessa serotyper, Ia, Ib, II, III och V, är mer vanligt förekommande hos nyfödda barn med GBS-infektion. För att ett vaccin baserat på kolhydrater ska kunna ge skydd mot alla dessa stammar måste vaccinet inkludera alla de fem olika kapselkolhydraterna i ett s.k. pentavalent vaccin.



På bakteriens yta finns, förutom kapseln, olika proteiner som troligen också är viktiga för bakteriens förmåga att orsaka infektion. Nästan alla stammar som tillhör serotyperna Ia, Ib, II och III, har antingen protein α eller protein Rib på cellytan. På många av stammarna som tillhör serotyp V finns ett Rib-liknande protein. Studier har visat att passivt överförda kaninantikroppar riktade mot α och Rib skyddar möss mot GBS-infektion.



Det övergripande målet med denna avhandling är att undersöka möjligheterna av att använda protein α och Rib för att utveckla ett humant GBS vaccin.



De två första delarbetena i denna avhandling handlar om experimentell vaccination med protein α och Rib. Proteinerna har renats fram från bakterieodlingar. De renade proteinerna har använts som vaccin på möss och antikroppsnivåer i serum har mätts på mössen. Vaccinerade möss har sedan jämförts med ovaccinerade möss med avseende på skydd mot GBS-infektion. Studierna visade att vaccination med α och Rib gav ett effektivt skydd mot infektion mot de GBS serotyper som har respektive protein på bakterieytan. Delarbete två visade också att det är möjligt att kombinera de båda proteinerna i ett s.k. bivalent vaccin och därmed skydda möss mot GBS-stammar tillhörande serotyperna Ia, Ib, II och III, dvs. majoriteten av de stammar som orsakar infektioner hos nyfödda barn.



I det tredje delabetet undersöktes möjligheten att använda GBS-proteiner i ett s.k. mucosavaccin för att ge upphov till, inte bara antikroppar i serum, utan också lokalt på genitalslemhinnan. Dessa lokala antikroppar skulle kunna förhindra eller reducera bärarskapet av GBS och därmed hindra att barnet exponeras för bakterien och insjuknar i en infektion. Proteiner som används i mucosavaccin måste som regel ges tillsammans med något ämne som stimulerar immunsvaret för att det ska bildas antikroppar. Ett exempel på ett sådant ämne är koleratoxinets B subenhet (CTB). CTB binder till celler på slemhinnans yta, men saknar den sjukdomsalstrande förmåga som är förknippad med koleratoxinets A subenhet.



I studien utvärderades två sorters mucosavaccin; i det ena är Rib blandat med CTB och i det andra är Rib kopplat (konjugerat) med CTB. Vaccinerna applicerades på nässlemhinnan på möss och antikroppssvaret i serum och lokalt i genitalvävnad undersöktes. Båda mucosavaccinerna gav upphov till betydande antikroppsnivåer i serum och det konjugerade vaccinet gav dessutom upphov till lokala antikroppar i genitalvävnad. Dessutom visade försöken att mucosavaccinerna skyddade mössen mot infektion. Pga att möss inte kan bli koloniserade med GBS, så fanns det inte möjlighet att utvärdera betydelsen av de lokala antikroppar som vaccinationen gav upphov till. Det finns dock andra studier, som talar för att lokala antikroppar kan förhindra att bakterier koloniserar slemhinnor.



I det fjärde delarbetet har serumprover samlats in från nyfödda barn med GBS-infektion samt från deras mödrar. Antikroppsnivåer mot protein α och Rib har mätts i serumproverna och jämförts med prover från icke-infekterade barn och deras mödrar. Resultaten visar att det finns ett tydligt samband mellan antikroppsnivåerna mot protein α och Rib i serum från modern och från barnet, vilket visar att sådana antikroppar överförs från modern till barnet under graviditeten. Ett viktigt fynd i studien var att barn som drabbats av en allvarlig infektion med GBS som har protein Rib på bakterieytan har låga nivåer av antikroppar mot GBS-proteiner i serum jämfört med icke-infekterade barn.



Resultaten i de tre första delarbetena ger stöd för att det skulle vara möjligt att utveckla ett GBS-vaccin baserat på protein α och Rib och att ett sådant vaccin skulle kunna medföra skydd mot majoriteten av de GBS-stammar som orsakar infektion hos nyfödda barn. Dessutom visar resultaten från det fjärde delarbetet att låga nivåer av antikroppar mot GBS-proteiner är en riskfaktor för allvarlig GBS-infektion hos nyfödda barn.

• author: Larsson, Charlotte U
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Haneberg, Björn, Nasjonalt folkehelseinstitutt, Oslo, Norge
• organization: Division of Medical Microbiology
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: bakteriologi, mycology, bacteriology, Microbiology, virologi, mykologi, neonatal infection, human antibody, intranasal, vaccine, cholera toxin B subunit, Rib, α, Group B streptococcus, surface protein, Mikrobiologi, virology
• pages: 112 pages
• defense location: Segerfalk Lecture Hall, Wallenberg Neuroscience Centre, Lund
• defense date: 2004-03-05 09:15:00
• ISBN: 91-628-5972-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Larsson, C., Stålhammar-Carlemalm, M. and Lindahl, G. 1996. Experimental vaccination against group B streptococcus, an encapsulated bacterium, with highly purified preparations of cell surface proteins Rib and α. Infect Immun. 64:3518-3523. Article: Larsson, C., Stålhammar-Carlemalm, M. and Lindahl, G. 1999. Protection against experimental infection with group B streptococcus by immunization with a bivalent protein vaccine. Vaccine. 17:454-458. Article: Larsson, C., Holmgren, J., Lindahl, G. and Bergquist, C. 2004. Intranasal immunization of mice with group B streptococcal protein Rib and cholera toxin B subunit confers protection against lethal infection. Infect Immun. 72:1184-1187. Article: Larsson, C., Lindroth, M., Nordin, P., Stålhammar-Carlemalm, M., Lindahl, G. and Krantz, I. Association between low levels of antibodies to protein α and Rib and invasive human neonatal group B streptococcal infection. Manuscript.
• id: 8a6fc3a4-762d-4ec8-bfba-98f5e38375ae (old id 466655)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:38:37
• date last changed: 2018-11-21 20:59:56