Charakterisierung der durch neue proteinbasierte Impfstoffe induzierten humoralen und zellulären Immunantwort bei Immungesunden und Risikogruppen

Abstract

Impfungen sind eine essenzielle Präventionsmaßnahme zur Verhinderung oder Abschwächung von Infektionen. Proteinbasierte Impfstoffe bieten als Totimpfstoffe die Möglichkeit auch Menschen mit Immundefizienz zu impfen, die ein erhöhtes Infektionsrisiko aufweisen. In dieser Arbeit wurde die impfinduzierte humorale und zelluläre Immunantwort von zwei proteinbasierten Impfstoffen untersucht. Spezifische T-Zellen wurden nach Antigen-spezifischer Stimulation anhand der Induktion von Zytokinen (IFNγ, IL-2, TNFα) und der CTLA 4 Expression mittels Durchflusszytometrie charakterisiert, während spezifische Antikörper mittels ELISA und Neutralisationsassays quantifiziert wurden. Die Reaktogenität der Impfstoffe wurde mittels Fragebögen erfasst. Im ersten Teil der Arbeit erfolgte die Charakterisierung der Varizella Zoster Virus (VZV) spezifischen Immunität bei Dialysepatienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen nach Impfung mit dem VZV-Glykoprotein E (gE) Subunit Totimpfstoff HZ/su. Über die Immunogenität des HZ/su-Impfstoffs bei Dialysepatienten, die aufgrund ihrer urämischen Immundefizienz ein erhöhtes Risiko für eine VZV-Reaktivierung haben, war bisher wenig bekannt. Es zeigte sich sowohl bei immungesunden als auch bei dialysepflichtigen Probanden im zeitlichen Verlauf ein Anstieg der VZV-gE-spezifischen CD4 T-Zell-Frequenzen (p<0,0001), wobei die nach der zweiten Impfung erreichten Mediane bei den Patienten (0,17 % (IQR 0,21 %)) geringer waren als bei den Kontrollen (0,24 % (IQR 0,3 %), p=0,042). VZV-spezifische CD8 T-Zellen wurden in beiden Gruppen nur im geringen Maße induziert. Nach beiden Impfungen wurde eine erhöhte Proliferationsfähigkeit der VZV-spezifischen T-Zellen beobachtet. VZV-spezifische CD4 T-Zellen waren in beiden Gruppen durch einen Anstieg der Expression des inhibitorischen Rezeptors CTLA-4 sowie einer Multifunktionalität durch Expression der Zytokine IL-2, IFNγ und TNFα charakterisiert. Wie bei den CD4 T-Zellen erreichten die medianen VZV-spezifischen IgG-Level zwei Wochen nach der zweiten Impfung ein Maximum, wobei diese bei den Patienten signifikant geringer waren (10796 (IQR 12482) IU/l) als bei den Kontrollen (16899 (IQR 14019) IU/l, p=0,009). Trotz ähnlicher CD4 T-Zell-Frequenzen nach einem Jahr waren die Antikörper-Level bei den Patienten signifikant geringer. Der Impfstoff wurde von den Probanden beider Gruppen gut vertragen, wobei Dialysepatienten über weniger Beschwerden nach den Impfungen berichteten. Quantitative und qualitative Unterschiede in der impfinduzierten Immunität bei Patienten könnte auf eine verkürzte Schutzdauer hindeuten und möglicherweise Auffrischimpfungen erforderlich machen. Erste Daten bei Patienten mit Multipler Sklerose zeigten ebenfalls Beeinträchtigungen in der durch die Impfung induzierten Immunität in Abhängigkeit der verabreichten immunmodulatorischen Therapie. Bei in vitro Experimenten zur Charakterisierung der Hemmwirkung der Immunsuppressiva Cyclosporin A, Tacrolimus und Methylprednisolon auf die spezifische T-Zell-Antwort wurde mit steigender Konzentration eine Abnahme der reaktiven T-Zell-Frequenzen beobachtet. Hingegen konnten Biologika keine Reduktion der reaktiven T-Zell-Frequenzen in vitro induzieren. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Spike-spezifische Immunität von Probanden nach Impfung mit dem proteinbasierten COVID-19 Impfstoff NVX-CoV2373 untersucht, für den bislang keine Immunogenitätsdaten vorlagen. Dieser induzierte sowohl auf zellulärer als auch auf humoraler Ebene eine spezifische Immunantwort, wobei diese nach der zweiten Impfung deutlich stärker ausfiel. Während Spike-spezifische CD4 T-Zellen deutlich induziert wurden, konnten spezifische CD8 T-Zellen nur bei 3 von 22 Probanden nachgewiesen werden. Ein Vergleich mit den mRNA Impfstoffen BNT162b2 und mRNA-1273 zeigte, dass die induzierte Immunantwort von NVX-CoV2373 sowohl auf zellulärer als auch auf humoraler Ebene deutlich schwächer ausfiel. Zudem wurden bei den mRNA-Impfstoffen wesentlich mehr spezifische CD8 T-Zellen nachgewiesen. Die Spike-spezifischen IgG Antikörper-Level waren im Vergleich zu den mRNA-geimpften Probanden geringer. In Bezug auf die SARS-CoV-2 Virusvarianten (variants of concern, VOCs) war die neutralisierende Aktivität gegenüber Delta am höchsten, gefolgt von BA.2 und BA.1. Auf zellulärer Ebene induzierte der Impfstoff gleichermaßen Spike-spezifische CD4 T-Zellen gegen alle getesteten VOCs. Nach Durchbruchsinfektionen wurden Anstiege der Spike-spezifischen CD4 und CD8 T Zellen sowie Antikörper beobachtet. Beide Impfdosen NVX-CoV2373 wurde von den Probanden gut vertragen. Auch wenn nach Impfung mit den beiden proteinbasierten Impfstoffen erwartungsgemäß spezifische CD8 T Zellen nur schwach induziert wurden, konnten die Impfstoffe eine spezifische CD4 T-Zell-Antwort und Antikörper induzieren. Die gute Immunogenität sowie eine gute Verträglichkeit könnten zur Steigerung der Impfbereitschaft und zum Schutz vulnerabler Patientengruppen beitragen. Zukünftig könnten Erkenntnisse dieser Arbeit als Strategien zum Monitoring des Impferfolges sowie zur Erfassung der Notwendigkeit einer Auffrischimpfung bei Risikopatienten entwickelt werden.

Vaccinations are essential to prevent or reduce infections. As inactivated vaccines, protein-based vaccines also offer the possibility of vaccinating individuals with immunodeficiency who are at particular risk for infectious complications. In this study, the vaccine-induced humoral and cellular immune response of two protein-based vaccines was analyzed. Specific T cells were characterized after antigen-specific stimulation based on the induction of cytokines (IFNγ, IL-2, TNFα) and CTLA-4 expression by flow cytometry, while specific antibodies were quantified by ELISA and neutralization tests. The reactogenicity of the vaccines was assessed using a questionnaire. In the first part of this thesis, the varicella zoster virus (VZV) specific immunity in patients on dialysis was characterized in comparison to healthy individuals after vaccination with the VZV glycoprotein E (gE) subunit vaccine HZ/su. Previous knowledge about the immunogenicity of the HZ/su vaccine in dialysis patients, who have an increased risk of VZV reactivation due to their uraemic immunodeficiency, was limited. We found an increase in VZV-gE-specific CD4 T-cell levels (p<0.0001) over time in both healthy controls and dialysis-patients, with the medians achieved after the second vaccination being lower in patients (0.17% (IQR 0.21%)) than in controls (0.24% (IQR 0.3%), p=0.042). VZV-specific CD8 T cells were only induced to a small extent in both groups. An increased proliferation capacity of VZV-specific T cells was observed after both vaccinations. VZV-specific CD4 T cells were characterized by an increase in the expression of the inhibitory receptor CTLA-4 as well as multifunctionality based on expression of the cytokines IL-2, IFNγ and TNFα. As with CD4 T cells, median VZV-specific IgG levels reached a maximum two weeks after the second vaccination, although IgG levels were significantly lower in patients (10796 (IQR 12482) IU/l) than in controls (16899 (IQR 14019) IU/l, p=0.009). Despite similar CD4 T cell frequencies after one year, antibody levels were significantly lower in patients. The vaccine was well tolerated in both groups, with dialysis patients reporting less side effects after vaccination. Quantitative and qualitative differences in vaccine-induced immunity in patients may indicate a shortened duration of protection, which may necessitate booster vaccinations. First data in patients with multiple sclerosis show impairments in the vaccine induced immunity that were dependent on the type of immunomodulatory therapy. In in vitro experiments to characterize the inhibitory effect of the immunosuppressive drugs cyclosporin A, tacrolimus and methylprednisolone on the specific Tcell response showed a decrease in reactive T cell frequencies with increasing concentration. In contrast, the use of biologicals in the same assay system in vitro did not induce a reduction in reactive T cell frequencies. In the second part of the thesis, the SARS-CoV-2 spike-specific immunity was analysed after vaccination with the protein-based COVID-19 vaccine NVX-CoV2373, where knowledge on immunogenicity was limited. The vaccine induced a specific immune response at both the cellular and humoral level, with a significantly stronger response after the second vaccination. While spike-specific CD4 T cells were clearly induced, specific CD8 T cells were only detected in 3 out of 22 individuals. A comparison with the mRNA vaccines BNT162b2 and mRNA-1273 showed that the NVX-CoV2373-induced immune response was significantly lower at both the cellular and humoral level. In addition, significantly more specific CD8 T cells were detected after mRNA vaccination. As with CD4 T cells, the spike-specific IgG levels were lower compared to the mRNA-vaccinated individuals. With regard to the SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs), the neutralizing activity against Delta was highest, followed by BA.2 and BA.1. At the cellular level, the vaccine induced spike-specific CD4 T cells equally recognized all VOCs tested. Increases in spike-specific CD4 and CD8 T cells and antibodies were observed after breakthrough infections. NVX-CoV2373 was well tolerated by the individuals. Even though specific CD8 T cells expectedly were only weakly induced after vaccination with the two protein-based vaccines, the vaccines strongly induced a specific CD4 T cell response and antibodies. The good immunogenicity and tolerability could contribute to increasing the willingness to adhere to vaccinations and to protecting vulnerable patient groups. The findings from this thesis may in future be developed as strategies for monitoring vaccination success and for determining the need for booster vaccinations in high-risk patients.