Immunogenicity and protective efficacy of cocktail subunit vaccines against tuberculosis in the mouse model

Abstract

[한글]

결핵은 AIDS, 말라리아와 함께 세계 3대 주요 전염성 질환의 하나이다. 결핵에 대한 백신으로 BCG가 전세계적으로 사용되고 있으나, 가장 문제가 되는 성인의 폐결핵에 대하여 BCG 백신의 백신효과가 일정하지 않아 BCG 백신을 대체할 수 있는 새로운 결핵백신의 개발이 절실한 실정이다. 결핵에 대한 subunit 백신을 개발하기 위해 결핵의 재조합 단백질인 Antigen 85A (Ag85A), ESAT-6, 16 kDa, 그리고 38 kDa을 이용하여 마우스 모델에서 결핵에 대한 방어효과를 조사하였다. 그리고 alum, MPL-SE, DDA, IFA, 그리고 MPL-SE과 DDA를 조합한 adjuvants를 사용하여 재조합항원에 대한 면역반응과 방어효과를 증가시키고자 하였다. C57BL/6 마우스에 결핵항원을 단독 또는 조합하여 피하로 3주 간격으로 3회 면역을 실시한후 4주후에 세포성 및 항체매개 면역반응을 측정하였다. 결핵에 대한 subunit 백신의 방어능을 측정하기 위하여 M. tuberculosis H37Rv 결핵균을 공기감염시키고 4 주 또는 8주 후에 폐와 비장에서 결핵균 수를 측정하였다.

두 세가지 항원으로 조합된 cocktail subunit 백신으로 면역시킨 마우스에서 단독항원으로 면역시킨 경우보다 결핵에 대한 세포성 면역이 증가하였다. 하지만 4 가지 결핵항원을 조합하여 면역시킨 마우스에서는 결핵에 대한 세포성 면역반응이 미약하였다. 그러나 항체매개 면역은 두 가지 이상의 항원을 조합하여 면역시킨 마우스에서 모두 증가하였다.

결핵항원을 단독으로 면역시킨 마우스에서는 결핵에 대한 유의성 있는 방어능이 나타나지 않았지만, 둘 또는 세 가지 항원을 조합하여 면역시킨 마우스에서 폐와 비장에서 유의성 있게 결핵균수가 감소하였다. Ag85A에 ESAT-6 또는 38 kDa 항원을 조합한 cocktail subunit 백신과 Ag85A에 ESAT-6와 16 kDa을 조합한 cocktail subunit 백신에서 다른 조합으로 된 cocktail subunit 백신보다 높은 방어능을 나타내었다. 하지만 4가지 결핵항원으로 조합한 cocktail subunit 백신에서는 유의성 있는 결핵균수의 감소가 관찰되지 않았다.

본 연구에서 한 가지 항원으로 면역시키는 것보다 둘 또는 세 가지 항원을 조합하여 면역시킬 때에 결핵에 대하여 백신효과가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. Ag85A에 16 kDa 또는 38 kDa 항원을 조합한 cocktail subunit 백신과 Ag85A에 ESAT-6와 16 kDa항원을 조합한 cocktail subunit 백신이 결핵에 대한 백신후보로서의 가능성이 시사된다. 나아가 백신의 효과를 최대화하기 위하여 각 항원의 적절한 용량에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

[영문]

Tuberculosis (TB), caused by Mycobacterium tuberculosis, is one of the world’s three major infectious diseases, along with AIDS and malaria. An effective vaccine against TB would be the most cost effective way of controlling the disease. Given the controversial efficacy of BCG vaccine against TB in adults, it has become urgent that we develop new TB vaccines, which can replace BCG and overcome the inhibitory effect shown by environmental mycobacteria upon vaccine effectiveness. In an effort to develop subunit vaccines against TB, the recombinant proteins Antigen 85A (Ag85A), ESAT-6, 16 kDa, and 38 kDa of M. tuberculosis were examined for protective efficacy in a mouse model. In addition, four adjuvants, namely, alum, MPL-SE, DDA, FIA, and a combination of MPL-SE and DDA were evaluated in term

of their synergistic effects on immune response to the recombinant antigens.

C57BL/6 mice were immunized three times subcutaneously with individual antigen or cocktail antigens that consisted of two to four antigens including Ag85A as a key antigen. Cellular and humoral immune responses were measured four weeks after the

last immunization, and IgG isotypes were determined. Protective efficacy was evaluated by bacterial counts in lungs and spleens four or eight weeks after aerosol challenge with M. tuberculosis H37Rv.

IFN-γ production was consistently elevated in mice immunized with cocktail vaccines consisting of two or three TB antigens compared to mice immunized with a single TB antigen. Interestingly, however, no significant increase in IFN-g was

observed production in mice that received a cocktail vaccine consisting of four TB antigens.

When mice were immunized with an individual antigen, there was no significant protection against M. tuberculosis. However, significant reductions in bacterial count in the lungs and spleens were observed when mice were immunized with cocktail

subunit vaccines consisting of two or three TB antigens. Cocktail subunit vaccines consisting of Ag85A + ESAT-6, Ag85A + 38 kDa, and Ag85A + ESAT-6 + 16 kDa rendered greater protection than other antigen combinations. However, no significant reduction in bacterial load was found in mice immunized with a cocktail vaccine consisting of four TB antigens, probably because of reduced amounts of individual antigens.

This study demonstrates that cocktail antigens containing to two or three antigens are more effective than a single antigen for the protection of mice against M. tuberculosis infection. Cocktail subunit vaccines consisting of Ag85A + 38 kDa and Ag85A + ESAT-6 + 16 kDa were found to be most promising as vaccines against TB.

Further study needs to be undertaken to determine the proper doses of individual antigens in order to maximize protective efficacy.