Adjuvans för vaccin – en viktig beståndsdel i moderna vacciner!

Forskningsteamet för vaccintillsatser vid Statens Serum Institut har till uppgift att utveckla nya vaccintillsatser.

Vacciner är historiens överlägset mest framgångsrika medicinska ingrepp, och det är bara tillgången till rent vatten och sanitet som har lett till en större förbättring av den förväntade livslängden. Den första generationen vacciner bestod av helinaktiverade, försvagade eller upplösta (delade) virus eller bakterier som förhindrade sjukdomar som smittkoppor, tuberkulos (TB; BCG-vaccin), mässling, polio (OPV/IPV-vaccin) och influensa. Alla dessa vaccintekniker innehåller förutom vaccinantigen även immunstimulerande komponenter som aktiverar det medfödda immunsystemet för att öka och modulera det adaptiva immunsvaret mot antigenerna. En annan strategi har varit att isolera, rena och avgifta toxiner direkt från patogenerna – en metod som tillämpas i difteri- och stelkrampsvaccinerna.

Gemensamt för många av dessa vacciner är att de kräver produktion av patogenerna själva, även om de ofta är i en försvagad form. De uppenbara produktionsrelaterade nackdelarna med detta tillvägagångssätt har kringgåtts genom implementering av rekombinanta produktionsmetoder som använder godartade uttryckssystem som E. coli för att producera de proteinbaserade vaccinantigenerna med hög avkastning.

Vaccin adjuvans

Dessa höggradigt renade och rekombinant producerade vacciner kan inte i sig själva aktivera och potentera immunsvaret i tillräcklig utsträckning. Adjuvans tillsätts därför för att leverera ”farosignalen” och utlösa medfödd immunaktivering och vaccinpotentiering.

Difteri- och stelkrampsvaccinerna innehåller adjuvanset aluminiumhydroxid, som potentierar ett antigenspecifikt antikroppssvar som behövs för att skydda mot dessa infektioner. Detta adjuvans har varit det mest använda sedan 1930-talet då det introducerades för första gången. Sedan dess har faktiskt endast ett litet antal adjuvans baserade på andra mineralsalter, squalenemulsioner och virosomer godkänts för användning hos människor. Gemensamt för dessa adjuvans är att de avsevärt ökar det humorala antikroppssvaret mot vaccinantigen, men att de inte kan skapa den typ av cellmedierad immunitet (CMI; se ruta) som är viktig för att skydda mot många av de mest utmanande infektionssjukdomarna i dag, t.ex. tuberkulos, klamydia och pandemisk influensa.

Moderna vaccinadjuvans, t.ex. AS01-adjuvans som används i det nyligen registrerade Shingrix®-vaccinet (GSK) mot varicella-zostervirusinducerad bältros, består av ett leveranssystem, vanligen baserat på emulsioner eller liposomer som bär på speciella molekyler som identifieras som främmande av immunsystemet.

Dessa immunstimulatorer är vanligtvis syntetiska analoger av så kallade ”patogenassocierade molekylära mönster”, eller PAMP, och kan modulera immuncellerna så att de reagerar på ett specifikt sätt. De kan t.ex. förskjuta de inducerade antikropparna mot särskilda funktioner eller inducera en viss typ av T-celler med särskild förmåga att döda infekterade celler (s.k. ”mördar-T-celler” eller ”cytotoxiska T-lymfocyter” (CTL)) eller modulera immuncellers hemgång till särskilda vävnader, t.ex. tarmarna eller lungorna.

De flesta immunstimulatorer som är under klinisk utveckling aktiverar receptorer av den så kallade ”toll-like receptors” (TLR) eller ”C-type lectin receptor (CLR)-familjen” och kommer att ha stor betydelse för effekten av nya vacciner, särskilt i de fall där ett starkt CMI-svar krävs för skydd.

Statens Serum Institut

Det danska Statens Serum Institut är ett statsägt företag som lyder under hälsoministern och ligger nära Köpenhamns centrum i Danmark. Statens Serum Institut ansvarar för Danmarks beredskap mot smittsamma sjukdomar, vilket innebär sjukdomsövervakning genom internationellt samarbete och samråd med det danska hälsovårdssystemet och myndigheterna vid epidemier som kräver brådskande åtgärder.

Vaccinforskning vid Statens Serum Institut

Vaccinforskningen vid Statens Serum Institut går tillbaka till institutets grundande 1902, då det inrättades för att producera antisera mot difteri. Forskningen utvidgades snart till andra epidemiska sjukdomar. Vaccinforskningen vid Statens Serum Institut är inriktad på sjukdomar som utgör ett stort hot mot den globala hälsan. I dag ägnar man sig främst åt vaccin mot tuberkulos, klamydia, hiv och pandemisk influensa.

Vaccinforskningsprogrammet är en integrerad del av SSI:s kärnuppdrag när det gäller vaccinberedskap och vaccinförsörjning. Huvuddelen av den vaccinforskning som bedrivs vid Statens Serum Institut är placerad under Center for Vaccine Research och täcker hela vaccinutvecklingen, som sträcker sig från hypotesgenerering och grundforskning till klinisk utvärdering av vacciner på människor. Centret fokuserar på immunologiska svar på infektioner och både grundläggande och translationell vaccinforskning, vilket inbegriper detaljerade program för upptäckt av antigener som syftar till att identifiera de proteiner som uttrycks av målpatogenerna och som erkänns av immunsystemet.

För närvarande är de två stora strategiska vaccinprogrammen inriktade på att utveckla nya vacciner mot tuberkulos och klamydia.

Tuberkulos är en av de främsta smittsamma dödande orsakerna i världen i dag och orsakade cirka 1,6 miljoner dödsfall under 2017, inklusive 230 000 barn. Vaccinet Bacillus Calmette-Guérin skyddar effektivt barn och ges till spädbarn så nära födseln som möjligt i länder där tuberkulos är vanligt förekommande. BCG:s effektivitet avtar dock med åren, och det har vanligtvis liten skyddseffekt när barnen kommer in i tonåren. Det finns därför ett akut behov av vacciner som kan förbättra skyddet mot tuberkulos, särskilt hos ungdomar och vuxna.

Chlamydia trachomatis är en av de vanligaste sexuellt överförbara infektionerna och det fanns 1,7 miljoner rapporterade fall enbart i USA 2017.

Tyvärr verkar denna infektion vara kraftigt underdiagnostiserad och många länder rapporterar inte sjukdomsfrekvensen, vilket gör det svårt att få en exakt överblick över bördan. Den kan orsaka permanenta skador på kvinnors reproduktiva system, vilket kan leda till dödlig utomkvedshavandeskap eller infertilitet.

Vissa serotyper av Chlamydia trachomatis orsakar dessutom trakom, infektion under ögonlocken, som så småningom kan leda till blindhet. Denna sjukdom är ett stort hälsoproblem i Afrika, Asien samt Central- och Sydamerika, där den orsakar blindhet hos 1,2 miljoner människor och nedsatt syn hos ytterligare en miljon människor.

Båda patogenerna infekterar celler och vaccinerna mot dem kräver därför adjuvans som framkallar ett starkt CMI-svar.

Forskning om adjuvans för vacciner

Under det senaste decenniet har Statens Serum Institut utvecklat nya adjuvans för vacciner vid sidan av att ha varit delaktig i utvecklingen av vacciner mot både tuberkulos och klamydia.

Syftet med vår forskning är att skräddarsy adjuvanset så att det inducerar exakt det immunsvar som behövs för att kontrollera patogenen i fråga. Detta är möjligt genom att konstruera adjuvans baserade på liposomer som innehåller immunstimulatorer. Immunostimulatorerna härrör från naturligt förekommande PAMP-molekyler från mikroorganismer som utlöser olika delar av immunsystemet. Liposomernas egenskaper kan modifieras, och de kan tillverkas i olika storlekar och med olika molekyler inbyggda beroende på vilket immunsvar som krävs för ett specifikt vaccin. De skräddarsydda liposomerna kombineras med vaccinets antigen i det slutliga vaccinet. Liposomen ser till att vaccinantigenet presenteras för rätt celler i immunsystemet och att det önskade immunsvaret genereras.

I vår strävan efter det ideala adjuvanset för ett vaccinantigen ändrar vi systematiskt sammansättningen av vaccinets leveranssystem och/eller immunstimulatorer. Vi ändrar sammansättningen av leveranspartiklarna för att ändra de fysiska egenskaperna hos vaccinleveranssystemet, t.ex. när det gäller storlek, vätska eller laddning. Sådana ändringar kan användas för att säkerställa optimal antigenadsorption, vaccindepå, upptag och presentation in vivo osv. Liposomernas fluiditet kan t.ex. ha stor betydelse för fördelningen av vaccinkomponenterna och nivån av CMI- och antikroppssvar.

I vårt sökande efter den optimala immunmodulatorn har vi funnit att flera mykobakteriella lipider har starka immunmodulerande effekter som kan utnyttjas för utveckling av vacciner. Vi har varit delaktiga i upptäckten av α, α´trehalos 6,6´ dibehenat (TDB) som en effektiv immunomodulator för induktion av cellmedierade immunsvar och dissekering av de involverade signalvägarna.

I programmet för upptäckt av immunomodulatorer har man också identifierat den mykobakteriella monomykoloylglycerolen (MMG) som en effektiv aktivator av humana dendritceller och som immunomodulator, vilket ger upphov till ett framträdande Th1-svar i djurmodeller. I detta upptäcktsprogram har det också varit viktigt för oss att förstå de medfödda mekanismer som aktiveras av dessa nya immunomodulatorer. Slutligen utvärderar gruppen också vaccinationsvägen, som har visat sig ha stor betydelse för det framkallade immunsvaret. Vi arbetar därför med olika immuniseringsstrategier, inklusive leverans till de övre luftvägarna, för att förbättra det skyddande immunsvaret vid slemhinneytor.

Den CAF adjuvans från SSI

Våra adjuvans är alla baserade på positivt laddade liposomer och kallas därför kationiska adjuvansformuleringar (CAF). Den första adjuvansformuleringen som utvecklats i vårt laboratorium består av liposomer som bildas av dimetyldioctadecylammonium (DDA) som stabiliseras med den syntetiska mykobakteriella immunmodulatorn TDB, som infogas i lipidbilayern.

DDA fungerar som ett leveransfordon som främjar upptag och presentation av vaccinantigenet i den relevanta undergruppen av antigenpresenterande celler (APC), medan TDB fungerar som en immunmodulator som aktiverar APC för att framkalla kombinerade Th1- och Th17 CMI-svar. Tillsammans verkar de två komponenterna, DDA och TDB, i synergi för att generera mycket potenta T-cell- och antikroppssvar som visat sig vara effektiva i vacciner mot en rad olika sjukdomar, t.ex. i djurmodeller av melanom, influensa, klamydia, tuberkulos, streptokocker av grupp A och malaria.

CAF01 har testats i fem kliniska fas I-studier för att utvärdera säkerhet, tolerabilitet och immunogenicitet hos olika doser av CAF01 som administreras i kombination med olika protein- och peptidbaserade vacciner (kliniska prövningsnummer NCT00922363, NCT01009762, NCT01141205, NCT02787109). Dessa studier visade att CAF01 är både säkert och effektivt när det gäller att inducera vaccinspecifika T-celler, som spelar en viktig roll i skyddet mot till exempel tuberkulos, klamydia, malaria och pandemisk influensa.

Vår andra generationens adjuvans, CAF09, som består av DDA, MMG och polyIC, visade sig vara mycket effektivt när det gäller att inducera antigenspecifika cytotoxiska T-celler mot protein- och peptidbaserade antigener. Detta adjuvans är därför en potentiell kandidat för vacciner mot t.ex. hiv, cancer och pandemisk influensa. Den genomgår nu kliniska utvärderingar på människor i ett terapeutiskt vaccin mot prostatacancer (NCT03412786) och ett neoantigenbaserat cancervaccin mot olika cancertyper (en så kallad ”basket trial”, NCT03715985).

Med utgångspunkt i principerna för CAF01 och CAF09 kan vi ytterligare modulera formuleringen när vi utformar skräddarsydda adjuvanter för specifika sjukdomsmål genom att förändra de katjoniska liposomerna eller genom att införliva olika kombinationer av immunstimulatorer i dem.

För närvarande kombinerar vi mykobakteriella icke-TLR-ligander med konventionella TLR-ligander i de olika leveransmedlen. Vårt mål är att framkalla mycket diversifierade och komplexa immunsvar, och genom att justera de olika parametrarna har vi visat att vi kan påverka antikroppsisotypen, varaktigheten av vaccindepån och CTL/Th1/Th17-balansen.

Forskningsdiscipliner

Vaccinleverans och formulering är ett tvärvetenskapligt projekt som spänner över både tillämpad och grundläggande forskning på högsta internationella nivå. Detta omfattar:

• Biokemiska och fysikalisk-kemiska karakteriseringar av adjuvanssystem
• Studier av vaccinformuleringarnas fördelning och öde in vivo
• Grundläggande immunologiska karakteriseringar av adjuvansfunktion in vivo och in vitro
• Karaktäriseringar av immunresponser som framkallas av vaccin hos människor och i djurmodeller
• Skyddande immunresponser i olika utmaningsmodeller.

För närvarande har vi protein- och peptidbaserade vaccinprojekt inom områdena tuberkulos, influensa, klamydia, hiv och streptokocker av grupp A, samt terapeutiska melanom- och humant papillomavirusvacciner under utvärdering. Dessutom har vi stor erfarenhet av preklinisk utveckling av adjuvantade subunitvacciner och är involverade i att stödja först-i-man-försök med nya adjuvans.

Samarbeten

Forskningen bedrivs i samarbete med forskargrupper från danska och internationella universitet, bioteknikföretag och statliga institutioner.
Väsentliga tidigare och aktuella
samarbeten inkluderar:

ADITEC

Detta projekt med stor genomslagskraft pågick från 2011-2017 för att utveckla nya vaccinationsstrategier. Projektets omfattning, som finansierades genom Europeiska kommissionens sjunde ramprogram (FP7), var att påskynda utvecklingen av ny och kraftfull immuniseringsteknik för nästa generation av humanvacciner. ADITEC har gjort betydande framsteg i utvecklingen av ny immuniseringsteknik, adjuvans, vektorer och leveranssystem, formuleringar och vaccinationsmetoder som är optimerade för olika åldersgrupper.

TRANSVAC2

Detta infrastrukturprojekt för samarbete finansierades av Europeiska kommissionens program Horisont 2020. Det är en gemensam satsning mellan ledande europeiska grupper som arbetar med vaccinutveckling och är utformat för att påskynda vaccinutveckling genom att förbättra europeisk vaccinforskning och utbildning, och för att öka hållbarheten i Europeiska kommissionens vaccinprojekt genom att genomföra en permanent forskningsinfrastruktur för tidig vaccinutveckling.

BIOVACSAFE

Detta projekt som finansierades av initiativet för innovativa läkemedel (IMI) pågick 2012-2018 med målet att utveckla banbrytande verktyg för att påskynda och förbättra testningen och övervakningen av vacciners säkerhet, både före och efter att de släppts ut på marknaden. Genom att sammanföra tre av Europas ledande företag inom utveckling och tillverkning av vacciner samt toppexperter från akademiska institutioner och små och medelstora företag har projektet genererat en enorm mängd resultat som kan påskynda utvecklingen av en ny generation säkrare och effektivare vacciner.

TBVAC2020

Detta forskningsprojekt inom Horisont 2020 syftar till att förnya och diversifiera den nuvarande tuberkulosvaccinpipelinen. Projektet bygger på de mycket framgångsrika och långvariga samarbetena i efterföljande projekt för tuberkulosvaccin och biomarkörer som finansierats av Europeiska kommissionen inom femte, sjätte och sjunde ramprogrammet och samlar forskare och utvecklare från 40 forskningspartner för att samarbeta för att utveckla nya tuberkulosvacciner.

NeoPepVac

Detta projekt, som finansieras av Innovationsfonden i Danmark och som omfattar fyra partner, syftar till att generera personliga vacciner för immunterapi baserade på peptidneoantigen i kombination med adjuvant CAF09b, som är utformad för att ge optimal immunterapi genom CTL-induktion.

Projektet kommer att slutföra en fas l-studie med neoantigenbaserad immunterapi hos cancerpatienter och ge bevis för konceptet för den övergripande strategin, säkerhet och klinisk genomförbarhet. Baserat på en djupgående analys av immunreaktivitet hos vaccinerade patienter och identifiering av neoepitoper med hjälp av syngena musmodeller kommer vi att förbättra algoritmer för prediktion av neoepitoper för framtida behandlingar.

UNISEC

Detta konsortium som finansieras av Europeiska kommissionen inom ramen för FP7 omfattade 11 partner från den akademiska världen, folkhälsoinstitut och vaccinindustrin.

Det kombinerade expertis inom influensavirus och vaccinproduktion, vaccinformulering, vaccinadministration, prekliniska djurmodeller, immunologiska avläsningar, organisation och genomförande av kliniska prövningar, datahantering och dataanalys för att jämföra olika nya influensavaccinkoncept i syfte att identifiera, utveckla och kliniskt testa de mest lovande ledtrådarna för ett universellt influensavaccin.

ENOVA

Detta vetenskapliga och tekniska ”nätverk för adjuvans för vacciner” finansierades av COST genom EU-programmet Horisont 2020. ENOVA samlar europeiska experter och intressenter som arbetar inom olika områden av adjuvans- och vaccin-R&D, inklusive både profylaktiska och terapeutiska tillämpningar samt human- och veterinärvacciner.

Nätverkets yttersta mål är att underlätta kommunikation och informationsutbyte mellan medlemmarna, att se till att nya upptäckter får stor spridning så att deras potential kan ge optimala fördelar, att främja bästa möjliga användning av befintlig adjuvansteknik samt att uppmuntra och stödja utvecklingen av nya adjuvans.

De av SSI:s egenutvecklade adjuvans som nämns i den här artikeln kan förvärvas för preklinisk såväl som klinisk användning genom att kontakta Statens Serum Institut. Se kontaktinformation nedan.

Fakta om adjuvans

Adjuvans: Från latinets adjuva¯re; att hjälpa. Ett ämne som förstärker det immunsvar som stimuleras av ett antigen när det injiceras med antigenet (Collins English Dictionary).

Om författaren

Dennis Christensen är senior forskare och ledare för forskningen om vaccinadjuvans vid Statens Serum Institut. Han är dessutom gästprofessor vid University of Strathclyde, Institute of Pharmacy & Biomedical Science, i Glasgow, Storbritannien.
Han har en doktorsexamen i farmaceutiska vetenskaper och har under de senaste 15 åren arbetat med farmaceutiska och immunologiska aspekter av vaccinadjuvans och leveranssystem, inklusive riktad leverans av immunstimulatorer och antigener.

Highlighted recent publications

1. Pedersen GK et al. Immunocorrelates of CAF family adjuvants. Semin Immunol 2018;39:4-13
2. Schmidt ST et al. Induction of Cytotoxic T-Lymphocyte Responses Upon Subcutaneous Administration of a Subunit Vaccine Adjuvanted With an Emulsion Containing the Toll-Like Receptor 3 Ligand Poly(I:C). Front Immunol 2018;9:898
3. Vono M et al. Overcoming the Neonatal Limitations of Inducing Germinal Centers through Liposome-Based Adjuvants Including C-Type Lectin Agonists Trehalose Dibehenate or Curdlan. Front Immunol 2018; 9:381
4. Christensen D et al. Seasonal Influenza Split Vaccines Confer Partial Cross-Protection against Heterologous Influenza Virus in Ferrets When Combined with the CAF01 Adjuvant. Front Immunol 2018; 8:1928
5. Christensen D et al. Vaccininducerade Th17-celler etableras som residenta minnesceller i lungan och främjar lokala IgA-svar. Mucosal Immunol 2017;10(1):260-270
6. Schmidt ST et al. Administrationsvägen är avgörande för vaccinadjuvans CAF09:s förmåga att inducera antigenspecifika CD8+ T-cellsvar: De immunologiska konsekvenserna av biodistributionsprofilen. J Control Rel 2016; 239:107-117

Dennis Christensen, PhD Pharm
Head of Vaccine Adjuvant Research
Center for Vaccine Research
Statens Serum Institut
+45 3268 3804
[email protected]
https://en.ssi.dk/research

Observera att den här artikeln kommer att publiceras i nummer 8 av Health Europa Quarterly, som finns att läsa nu.