Targetting innate immune responses to improve vaccine strategies

Ähnliche Dokumente
Research Collection. The role of type I interferon signaling on T cells during acute viral infections. Doctoral Thesis.

Research Collection. Security econometrics The dynamics of (in)security. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Frei, Stefan. Publication Date: 2009

Toll-like receptors: Studies on cellular activation and involvement in rheumatoid arthritis

Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Rehr, Manuela. Publication Date: 2007

Research Collection. Differential dendritic cell activation in peripheral T cell tolerance. Doctoral Thesis. ETH Library

presented by accepted on the recommendation of ON HIV-1 ENTRY AND REPLICATION ETH ZÜRICH Dipl. Biochem. University Hedingen ZH and St.

Research Collection. Human Cu,Zn-superoxide dismutase preparation of the apo-protein. Calorimetriy and pulse radiolysis. Doctoral Thesis.

The theory and practice of a multi-enzyme process a novel approach for the synthesis of fructose from starch

CHRONIC IMMUNE ACTIVATION DURING HIV-1 INFECTION

Interactive centerline finding in complex tubular structures

Research Collection. Backward stochastic differential equations with super-quadratic growth. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Bao, Xiaobo

Research Collection. Offset gate field effect transistors with high drain breakdown potential and low Miller feedback capacitance.

Cross-Presentation of and Cross-priming by Virus-like Particles

Functions of NF-kappaB pathway in cutaneous inflammation

A Computational Appearance Fabrication Framework and Derived Applications

Research Collection. Induction of T cell responses with virus-like particles: Combining adaptive and innate immunity for optimal efficacy

Funktionelle Analyse von Neuropilin 1 und 2 in der Epidermis: Bedeutung in der Wundheilung und in der UVBinduzierten

Wind Tunnel Investigation of Turbulent Flow in Urban Configurations A Time-Resolved PIV Analysis

Research Collection. Digital estimation of continuous-time signals using factor graphs. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Bolliger, Lukas

Algorithms for analyzing signals in DNA Applications to transcription and translation

Research Collection. Isolation of low molecular weight taste peptides from Vacherin Mont d'or cheese. Doctoral Thesis. ETH Library

Analysis of the HLA class I immunopeptidome in health and in cancer

Research Collection. To sense or not to sense viral RNA - essentials of coronavirus innate immune evasion. Doctoral Thesis.

Quantitative IR-Laserchemie mono- und bichromophorer Fluorbutane Geschwindigkeitskonstanten, Isotopen-Trennung und Modenselektivität

Group signature schemes and payment systems based on the discrete logarithm problem

Application-specific processor for MIMO-OFDM software-defined radio

Key indicators in organizational health development individual and organizational variables for health-promoting change

Research Collection. A novel biofuel cell harvesting electrical energy from activated human macrophages. Doctoral Thesis.

Computer-gestützter Entwurf von absatzweise arbeitenden chemischen Mehrproduktanlagen

Funktion der Mindestreserve im Bezug auf die Schlüsselzinssätze der EZB (German Edition)

Role of Foxa2 Acetylation in Diabetes and Obesity in Vivo

Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Bruderer Enzler, Heidi. Publication Date: 2015

Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Greber, Basil Johannes. Publication Date: 2013

The role of IL-21R signaling during adaptive immune responses

Mechanisms contributing to chronic immune activation during HIV-1 infection

Nichtlineare und adaptive Filter für die Flugzeugverfolgung

Engineering of synthetic circuits for biomedical applications

Vergleichende lichtmikroskopische Untersuchungen von Banding und Schraubenstruktur in Chromosomen von Erythronium revolutum Smith

Mock Exam Behavioral Finance

Research Collection. Magnetism in 30 picoseconds and more. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Vaterlaus, Andreas. Publication Date: 1991

Wer bin ich - und wenn ja wie viele?: Eine philosophische Reise. Click here if your download doesn"t start automatically

The isogenes ARO3 and ARO4 of Saccharomyces cerevisiae

Mechanisms of allergen-specific desensitization

On Lagrangian quantum homology and Lagrangian cobordisms

Inflammasom bei der Wundheilung

DAS ERSTE MAL UND IMMER WIEDER. ERWEITERTE SONDERAUSGABE BY LISA MOOS

Dynamic Robot Architecture for Robust Realtime Computer Vision

Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Tschudi-Rein, Kathrin Ruth. Publication Date: 1988

Topologies on the set of Banach space representations

Binding to heparin and contactin/f11 of alternatively spliced fibronectin type III homology region of chicken tenascin-c

Simulation of Power System Dynamics using Dynamic Phasor Models

Humoral immune response to the intracellular pathogen Legionella pneumophila

Magic Figures. We note that in the example magic square the numbers 1 9 are used. All three rows (columns) have equal sum, called the magic number.

Characterization of Drosophila Lnk an adaptor protein involved in growth control

Fast and slow charge trapping and transport in organic semicondutors

Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Dinkel, Martin. Publication Date: 2011

Development of a linguistic-based approach to design foodrelated emotional evaluation lists (FEE-lists) and first applications

Die besten Chuck Norris Witze: Alle Fakten über den härtesten Mann der Welt (German Edition)

Dopant clustering and diffusion in silicon

Globale Symmetrie von stochastischen Teilchenbewegungen mit lokal symmetrischer Interaktion

Methods to assess and manage security in interconnected electrical power systems

The atypical kinase hrio1 is a trans- acting factor in cytoplasmic maturation of the 40S ribosomal subunit

Cationic Cell Penetrating Oligoprolines and the Effect of Preorganized Charge Display

Research Collection. Novel modes of protein-rna recognition in post-transcriptional gene regulation studied by NMR spectroscopy.

Grundlagen der Immunologie

Simulation approaches for nano-scale semiconductor devices

The Navier-Stokes equations on polygonal domains with mixed boundary conditions theory and approximation

Research Collection. On Successive Cancellation Decoding of Polar Codes and Related Codes. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Schürch, Christian

Asymptotic properties of diffusions in random environment

EVANGELISCHES GESANGBUCH: AUSGABE FUR DIE EVANGELISCH-LUTHERISCHE LANDESKIRCHE SACHSEN. BLAU (GERMAN EDITION) FROM EVANGELISCHE VERLAGSAN

Test automation for database management systems and database applications

PONS DIE DREI??? FRAGEZEICHEN, ARCTIC ADVENTURE: ENGLISCH LERNEN MIT JUSTUS, PETER UND BOB

Research Collection. Antibody-based vascular targeting for the treatment of chronic inflammation. Doctoral Thesis. ETH Library

Exit of simian virus 40 from the endoplasmic reticulum

Intravital analysis of dendritic cell migration within superficial lymphatic capillaries in the skin Author(s): Publication Date: Permanent Link:

FACHKUNDE FüR KAUFLEUTE IM GESUNDHEITSWESEN FROM THIEME GEORG VERLAG

Im Fluss der Zeit: Gedanken beim Älterwerden (HERDER spektrum) (German Edition)

Functional characterization of novel human Cul3 E3 ubiquitin ligases in cell cycle regulation

DAS ZUFRIEDENE GEHIRN: FREI VON DEPRESSIONEN, TRAUMATA, ADHS, SUCHT UND ANGST. MIT DER BRAIN-STATE-TECHNOLOGIE DAS LEBEN AUSBALANCIEREN (GE

Research Collection. Real-time multi-object tracking. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Roth, Daniel Eugen. Publication Date: 2010

Contribution to the development of optical sensors for anions

Regulatory influence of sex steroids and environmental estrogens in oviduct cells

On the cohomology of finite groups with simple coefficients

Sterilisation von stückigen Lebensmitteln mit Mikrowellen

Stress-related problems in process simulation

NITROGEN METABOLISM IN ENDURANCE ATHLETES. Nitrogen Losses During Exercise & Protein Supplementation in Marathon Runners

ACTIVIN IS AN IMPORTANT REGULATOR OF SKIN HOMEOSTASIS, REPAIR AND CARCINOGENESIS

Cameraserver mini. commissioning. Ihre Vision ist unsere Aufgabe

Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Tschirky, Hugo. Publication Date: 1979

VGM. VGM information. HAMBURG SÜD VGM WEB PORTAL USER GUIDE June 2016

Binary adder architectures for cell-based VLSI and their synthesis

Ecology and genetics of Crithidia bombi (trypanosomatidae) field study and experimental approach

Providers of climate services in Germany

DISS. ETH NO NEUROPROTECTIVE ACTIONS OF ESTRADIOL: POTENTIAL ROLE OF ESTRADIOL RECEPTORS AND METABOLISM

Design, characterization and simulation of avalanche photodiodes

IMPACT OF BIOACTIVE FOOD COMPONENTS ON CANCER DRUG METABOLISM

Schöpfung als Thema des Religionsunterrichts in der Sekundarstufe II (German Edition)

Unterwegs mit einem Engel: Mit dem Buch Tobit durch die Fastenzeit bis Ostern (HERDER spektrum) (German Edition)

Transkript:

Research Collection Doctoral Thesis Targetting innate immune responses to improve vaccine strategies Author(s): Mohanan, Deepa Publication Date: 2013 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-009906702 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

DISS. ETH NO. 21117 TARGETTING INNATE IMMUNE RESPONSES TO IMPROVE VACCINE STRATEGIES A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by DEEPA MOHANAN Master of Science, National University of Singapore Born 7 th April 1981 Singaporean accepted on the recommendation of Professor Manfred Kopf, examiner Professor Bruno Gander, co-examiner Professor Martin Bachmann, co-examiner PD Dr. Thomas Kündig, co-examiner 2013

1. Summary 1 P age

Vaccines have had a major impact on mankind since the introduction of a smallpox vaccine by Edward Jenner in 1796. Despite their great success, vaccines have not yet shown their full potential. There are no effective vaccines for a number of chronic diseases such as AIDS, tuberculosis (TB), and malaria simply because our working knowledge of each disease s immunopathogenesis is poor and the pathogen-host relationships are complex. A successful vaccine should be able to induce life-long protective B and/or T cell responses. However, to initiate adaptive immunity, the vaccine needs to trigger the innate immune system as well. Dendritic cells (DCs) have been identified as the key antigen presenting cells (APCs) that are needed for adaptive immunity, particularly for T cell responses. DCs express a myriad of pathogen-recognition receptors (PRRs) that recognize pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) as well as host derived danger signals known as damageassociated molecular patterns (DAMPs). It is through the engagement of these receptors that is crucial for activation of the innate immune system. To help design better vaccines for tomorrow, it is therefore important to understand how pathogens negatively manipulate the activation of the innate immune system. Moreover, by better targeting antigen and adjuvant to DCs we might be able to maximise the potential of inducing a desirable immune response. To improve the current TB vaccine Bacille Calmette Guérin (BCG), we created a mutant strain (BCGΔzmp) that is defective in expressing a zinc-metalloprotease (ZMP-1). This mutant has been shown previously to induce increased phagosome maturation as well as inflammasome activation. It has also been shown to be more immunogenic in mice. A goal of this thesis was to decipher the mechanisms by which ZMP-1 was dampening the activation of DCs, with a special focus on inflammasome activation and toll-like receptor (TLR)-signalling. Activation of the inflammasomes results in the secretion of proinflammatory cytokines IL- 1α/β and the importance of IL-1α/β in host s defence against TB have previously been shown by others. We observed a time-dependent inhibitory influence of ZMP-1 on the secretion of IL-1α/β. Although the secretion of IL-1β was completely dependent on the canonical inflammasome components NLRP3 and ASC, it was only partially dependent on caspase 1/11. Secretion of IL-1α, on the other hand was not dependent on the inflammasome. The increased IL-1α/β secretion by BCGΔzmp was dependent on phagocytosis, acidification of phagosomes as well as signalling via a PRR, TLR2 and its adapter protein myeloid differentiation primary response 88 (MyD88). On the other hand, in the absence of TLR4 or its adapter protein, TIRdomain-containing adapter-inducing interferon-β (TRIF), infection with BCGwt or 2 P age

BCGΔzmp led to higher levels of IL-1β being secreted than from wild-type BMDCs. In fact the differences in IL-1β secretion between BCGwt and BCGΔzmp were abrogated in the absence of TLR4 or TRIF. This suggests that BCGwt signals primarily via TLR4-TRIF leading to a negative-feedback that inhibited its ability to secrete IL-1β, whereas BCGΔzmp signals via TLR2/MyD88. Gene expression analysis supported this hypothesis as expression of Interferon regulatory factor 3 (Irf3) (a transcriptional factor acting downstream of TLR4- TRIF signalling) and its downstream effectors were upregulated in the presence of BCGwt. These in vitro data were confirmed in vivo. BCGΔzmp caused increased recruitment of inflammatory monocytes by a caspase-1/11 dependent mechanism in mice. In addition of activation of the innate immune system, vaccine delivery to lymphoid organs is equally important for driving adaptive immune responses. In the next study, we were concerned with this question and tested the influence of administration routes on the immunogenicity of three selected vaccine formulations; liposomes, nanoparticles and microspheres. Our goal was to compare the immunological outcomes after immunisation with a particle-based vaccine formulation via one of the three commonly used administration routes (subcutaneous, intra-dermal and intra-muscular) and whether the addition of adjuvants; Trehalose-6,6-dibehenate (TDB) for liposomes, lipopolysaccharide (LPS) for nanoparticles and CpG for microspheres would affect the observed immune responses. We found that the route of immunization as well as adding an appropriate adjuvant was more important for the induction of IgG2a than IgG1 responses. Microspheres showed more rapid and higher IgG2a responses in the presence of CpG. In contrast, TDB or LPS only enhanced the kinetics but not magnitude of liposome- or nanoparticles-induced IgG2a responses respectively. In general, subcutaneous administration of all formulations induced poor IgG2a responses whereas intramuscular and intradermal administrations both induced higher responses. Sterility is an important practical aspect of vaccines. In a third study, we investigated whether immunogenicity of a protein encapsulated within poly (D, L-lactide-co-glycolide) (PLGA) microspheres would be affected by gamma-irradiation, a more cost-effective and easier alternative to aseptic production of microspheres. Through in vitro and in vivo studies, we were able to demonstrate that protein encapsulated within microspheres was not affected by gamma-irradiation. In contrast, free protein immunogenicity was affected by gammairradiation. 3 P age

2. Zusammenfassung 4 P age

Seit der Einführung der Pockenimpfung durch Edward Jenner im Jahr 1796 haben Impfungen eine grosse Bedeutung für die Menschheit. Trotz ihres durchschlagenden Erfolgs haben Impfstoffe ihr volles Potential noch nicht entfaltet. Es gibt keine wirksamen Impfungen gegen chronische Erkrankungen wie beispielsweise AIDS, Tuberkulose oder Malaria, weil unser Wissen über die Immunpathologie dieser Krankheiten bisher noch mangelhaft ist und weil die Wirt-Pathogen-Interaktionen komplex sind. Ein erfolgreicher Impstoff sollte eine lebenslang schützende B- und/ oder T-Zell-Antwort induzieren können. Um jedoch eine adaptive Immunantwort zu induzieren, müssen die Vakzine zuerst das angeborene Immunsystem aktivieren. Dabei spielen dendritische Zellen (DC) eine Schlüsselrolle. Sie sind die Antigen präsentierenden Zellen, speziell bei der Induktion einer T-Zell-Antwort. DCs exprimieren eine grosse Anzahl an Pathogenerkennenden Rezeptoren, welche sowohl Pathogen-assoziierte molekulare Strukturen (PAMPs) als auch körpereigene Gefahrensignale, sogenannte Schaden-induzierte molekulare Strukturen (DAMPs), erkennen. Durch das Binden dieser Strukturen an die Rezeptoren wird das angeborene Immunsystem aktiviert. Um zukünftig bessere Impfstoffe zu entwickeln, ist es deshalb notwendig zu verstehen wie Pathogene die Aktivierung des angeborenen Immunsystems verhindern. Zusätzlich würde eine verbesserte Zuführung von Antigen und Adjuvans zu den dendritischen Zellen die gewünschte Immunantwort verstärken. Um den bestehenden BCG-Impstoff zu verbessern, haben wir einen mutierten BCG-Stamm generiert, welcher eine Zink-Metalloprotease (ZMP-1) nicht exprimiert. Der so mutierte Stamm induzierte die Reifung von Phagosomen und die Aktivierung des Inflammasoms; zusätzlich zeigte er eine verstärkte Immunogenität in einem Mausmodell. Ein Ziel dieser Arbeit war es zu analysieren durch welchen Mechanismus ZMP-1 die Aktivierung von DCs abschwächt; dabei standen die Inflammasomaktivierung und die Toll-like receptor (TLR)- Signalwege im Fokus. Die Aktivierung des Inflammasoms führt zur Sekretion der proinflammatorischen Zytokine IL-1α und IL-1β.Vor Kurzem wurde gezeigt, dass IL-1α/β eine tragende Rolle bei der Abwehr gegen Tuberkulose spielt. Wir konnten einen zeitabhängigen inhibierenden Effekt von ZMP-1 auf die Sekretion von IL- 1α/β beobachten. Die Sekretion von IL-1β war vollständig von den Inflammasomkomponenten NLRP3 und ASC, jedoch nur teilweise von Caspase-1/11 abhängig. Die Sekretion von IL-1α war dagegen unabhängig vom Inflammasom. Die erhöhte 5 P age

Sekretion von IL-1α/β bei Infektionen mit dem mutierten BCGΔzmp-Stamm war von Phagozytose, der Reifung der Phagosomen und von TLR2- und myeloid differentiation primary response 88 (MyD88)-Signalwegen abhängig. Andererseits sekretierten BCGwtund BCGΔzmp-Stämme in der Abwesenheit von TLR4 oder dessen Adaptor TIR-domaincontaining adapter-inducing interferon-β (TRIF) höhere Mengen an IL-1α/β als wildtyp- BMDCs. Tatsächlich war der Unterschied in der IL-1α/β Sekretion zwischen BCGwt und BCGΔzmp in der Abwesenheit von TLR4 oder TRIF nicht mehr messbar. Das legt die Vermutung nahe, dass BCGwt bevorzugt die TLR4-TRIF-Signalwege nutzt, was dazu führt, dass die Fähigkeit des Stamms, die Sekretion von IL-1α/β zu induzieren, inhibiert wird. Im Gegensatz dazu nutzt BCGΔzmp bevorzugt die TLR2-MyD88-Signalwege. Expressionsanalysen unterstützen diese Hypothese, da die Expression von Irf3 (ein Effektorprotein in der TLR4-TRIF-Signalachse) und dessen weiteren Effektoren bei Infektionen mit BCGwt erhöht war. Diese in vitro-daten konnten auch in vivo bestätigt werden. Infektionen mit BCGΔzmp führten durch einen Caspase-1-abhängigen Mechanismus zu einer erhöhten Einwanderung von inflammatorischen Monozyten. Zusätzlich zur Aktivierung des angeborenen Immunsystems ist die Zuführung des Impfstoffs zu den Lymphorganen ein wichtiger Faktor für die Aktivierung des adaptiven Immunsystems. Deswegen untersuchten wir in einem nächsten Projekt, inwiefern die Art der Verabreichung die Immunogenität eines Impfstoffs beeinflusst. Dafür wurden drei Impfstoffformulierungen gewählt, Liposomen, Nanopartikel und Mikrosphären. Unser Ziel war es einerseits, die immunologischen Konsequenzen zu vergleichen welche aus der Immunisierung mit einem partikelbasierten Impfstoff durch einen der drei normalerweise benutzten Verabreichungswege (subkutan, intradermal oder intramuskulär) resultieren; andererseits wollten wir untersuchen, ob die Beigabe von Adjuvantien: Trehalose-6,6-dibehenat (TDB) für Liposomen, Lipopolysaccharid (LPS) für Nanopartikel und CpG für Mikrosphären, die beobachtete Immunantwort verändert. Wir fanden heraus, dass sowohl der Verabreichungsweg als auch die Beigabe des passenden Adjuvans wichtiger für die Induktion von IgG2a- als von IgG1-Antworten war. Mikrosphären induzierten eine schnellere und erhöhte IgG2a-Antwort, wenn das Adjuvans CpG beigegeben wurde. Im Gegensatz dazu erhöhten TDB oder LPS nur die Kinetik, nicht aber die Stärke von Liposomen- oder Nanopartikel-induzierten IgG2a-Antworten. Generell resultierte eine subkutane Verabreichung aller Impfstoff-Formulierungen in einer schwächeren IgG2a-Antwort als eine intramuskuläre oder intradermale Verabreichung. 6 P age

Sterilität ist ein wichtiger praktischer Aspekt von Vakzinen. In einem dritten Projekt untersuchten wir, ob die Immunogenität eines Proteins, das in einer PLGA Mikrosphäre eingekapselt wurde, durch Gammastrahlen beeinflusst wird. Bestrahlung mit Gammastrahlen ist eine kosteneffektive und einfache Alternative aseptische Mikrosphären herzustellen. Wir konnten sowohl mit in vitro- als auch mit in vivo-experimenten zeigen, dass ein in Mikrosphären eingekapseltes Protein durch Gammastrahlen nicht beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu wurde die Immunogenität eines nicht eingekapselten Proteins durch die Bestrahlung beeinflusst. 7 P age