Ätbara vacciner. Sören Andersson Överläkare, docent, verksamhetschef Laboratoriemedicin Universitetssjukhuset, Örebro & Örebro universitet

Transkript

1 Ätbara vacciner Sören Andersson Överläkare, docent, verksamhetschef Laboratoriemedicin Universitetssjukhuset, Örebro & Örebro universitet Arabidopsis thaliana (backtrav)

2 Ätbara vacciner (Vaccinproduktion i transgena växter) Sören Andersson Överläkare, docent, verksamhetschef Laboratoriemedicin Universitetssjukhuset, Örebro & Örebro universitet Arabidopsis thaliana (backtrav)

3 HIV-positiv morot!

4 HIV-positiv morot! (90 ng HIV-1 p24 protein per gram färsk växt)

5 [IAVI = International AIDS Vaccine Initiative, 2008]

6 Många infektionssjukdomar tar sig in i kroppen via slemhinnor: - luftvägar - mag-tarmkanalen - könsorganen Total yta 400 m 2!

7 MALT = Mucosa-associated lymphoid tissue GALT = Gut-associated BALT = Bronchus- NALT = Nasal Lycke N. 12, (August 2012) 7

8 The gut-associated lymphoid tissue (GALT) contains 60-70% of the total lymphoid system in the body

9 Hur uppstår immunbristen vid HIV-infektion? CD4+/CCR5+ T-hjälparceller (minnes-t-celler) infekteras massiv replikation i tarmslemhinnan Infekterade celler dör av Virusproduktion (producerar virus och lyseras) Immunsvar riktat mot celler med virus Apoptos (programmerad celldöd = försvarsmekanism) Konstant immunaktivering Immunsystemet kroniskt infekterat konstant aktivt kontinuerlig virusreplikation (produktion) Hyperimmunglobulinemi, proinflammatoriska cytokiner, ökad cellomsättning Th17+/CD4+ T-hjälparceller infekteras, dör, har betydelse för: Slemhinnebarriären bryts, bakterier mm svämmar ut i vävnader & driver på inflammationen Immunsystemet utmattas (immune exhaustion) För sammanfattn se t ex Lackner et al, Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine

10 Slemhinne-vaccination Immunisera (vaccinera) över slemhinnor där många infektioner tar sig in (t ex sexuellt överförbara infektioner, HIV) > 60% av lymfoid vävnad finns i magtarmkanalen Ger även systemiskt skydd Injektioner ej nödvändiga (dvs kan slippa kylkedja och steril utrustning)

11 Orala vacciner fungerar Polio Kolera + ETEC (Dukoral) Rabies (vilda djur) Intranasala vacciner fungerar Influensa Expermental systems

12 Idealiskt vaccin Existerande vaccin En dos livslångt skydd Kombinerat Inga bieffekter Billigt Enkelt att ta (ge) Lång hållbarhet, enkel distribution Flera doser, månader år Enstaka sjd vanligen Lokala/generella bieff. Injektioner, sjukvårdspersonal Kylkedja, steril förpackning och utrustning

13 På väg till outreach clinic, Tanzania,

14 Potentiella fördelar med ett växtproducerat vaccin Storskalig kostnadseffektiv produktion Produktion & lagring nära användare Minimala krav på ytterligare bearbetning Värmestabila (ingen kylkedja) Minskad risk för kontamination Proteiner skyddas med hjälp av bioencapsulation Systemisk och slemhinne-immunitet Upprepade vaccinationer Eukaryot system Många proteiner i samma växt

15 Mars 2013

16 Växtvacciner i veterinärmedicin Regulatoriska fördelar Stora besättningar förenklad administration Kan ev producera i målväxten direkt för konsumtion Kan utvärdera i aktuellt djurslag direkt Ekonomiskt intresse & potential

17 Biotechnological applications of transgenic plant techniques Enzyme production for detergents Agriculture (e.g. insect resistant maize and cotton) Plantibodies

18

19 Molecular farming och vaccinforskning vid Örebro universitet modellen Produktionssystem för rekombinanta proteiner Produktion och administration av ätbara orala och nasala vacciner Verktyg för att studera slemhinneimmunitet

20 Arabidopsis thaliana (backtrav) Växtforskarnas labråtta

21 Arabidopsis tar lite plats att odla Självkorsare Varje planta producerar massor av fröskidor som innehåller frön Frön kan långtidsförvaras i -70ºC Kort livscykel (c:a 6 veckor från frö till frö)

22 Transformation of plants Agrobacterium tumefaciens

23 Agrobacteria cause crown gall

24

25 Stable transformation and two non-toxic plant systems T-DNA Floral dip Arabidopsis Plant expression vector (pgreen0229) Co-cultivation Carrot

26 Agrobacterium transfer DNA to the plant genome The DNA is integrated, expressed and transforms the plant cells. This DNA can be exchanged for any other DNA The integration is not sequence specific, can occur in any chromosome

27 Växthormoner styr celldelning och differentiering Auxin och cytokinin stimulerar både rot och skottutvecklingen auxin cytokinin auxin + cytokinin

28 Morot som vaccin? Accepteras över hela världen Kan ätas rå Låg produktionskostnad Robust (lagring och transport) Tvåårig (liten risk för okontrollerad spridning) Human och veterinärmedicin I samarbete med Prof Peter Engström & Ass Prof Anita Wallin, Evolutionsbiologiskt centrum, Uppsala universitet

29 Prototype vaccines produced in transgenic plants (humans) E. coli enterotoxin (LT-B) potatoe (Nat Med 1998;4:607-9) HBsAg lettuce (Adv Exp Med Biol 2001;495: ) Norwalk virus potatoe (J Inf Dis 200;182:302-5) Rabies virus spinach (Vaccine 2002;20: ) HBsAg potatoe (Proc Natl Acad Sci 2005;102: )

30 Transgen potatis producerande delar av hepatit B virus (HBsAg) som bildar pseudovirioner i vakuoler i cytoplasman

31 Immunogenicity in humans of an edible vaccine for hepatitis B Thanavala, et al. PNAS 2005;102: Tidigare hepatit B - vaccinerade (fas I studie) Upprepad vaccination med 100 g rå transgen potatis x 2 or 3 (d 0, 14, 28) Varje dos ~0.8 mg HBsAg 10/16 (3 doser) och 9/17 (2 doser) fick signifikant immunsvar 0/9 placebo potatis

32 Hepatit B vaccin producerat i växter? Globala behovet för barnvaccinationsprogram 200 acres (tunnland, ½ hektar) Kinas totala behov 40 acres

33 Outline of the project

34 HIV-1 subtyp C, p24 (capsidprotein)

35

36

37 Accumulation of p24 protein p24 S1 L1 R1 SWT LWT RWT p24 S, stem L, leaf R, root

38 Detection of HIV p24 antigen (Abbott Architect HIV combo) Specimen Pos contr Neg contr WT Plant (1) Plant (2) Plant (3) S/CO S/CO after anti-p24 Mab ND ND ND

39 Feeding mice transgenic plants containing ng HIV-1 p24 protein/g fresh weight

40 Systemic (serum) anti-p24 IgG-response in mice after feeding transgenic plants + boost

41 Transgen morot har högre primingeffekt än vildtyp

42 Line ng p24/g fresh weight Genetic inserts Arabidopsis(pGreen0229/p24_SEKDEL) or or or Arabidopsis Carrot (pgreen0229/p24_sekdel) n.d n.d Carrot Arabidopsis (pgreen0229/p24)

43 Högdosväxt ger lägre immunsvar än lågdos

44 Oral tolerance?

45 Oral tolerance? Not one entity Immune regulation by several pathways Can be modulated (e.g. adjuvants) Not always the result of eating specific antigens (prototype oral vaccines work) Further studies needed Doses Frequency Antigen preparations Adjuvants

46 Induktion av oral tolerans mot kollagen skyddar mot artrit i musmodell Transgen växt x 4 Lycke, Hansson, Strid, Andersson, Göteborgs och Örebro universitet, ej publicerat

47 IL-6

48 HIV vaccines Scientific challenges Virus changes rapidly new variants appear continuously and cheats the immune defence Virus genome integrates in human genome forever Target cells for infection = cells in the immune system Correlation animal model vs humans? Lack of good laboratory parameters for protection

49 HIV VACCINE CLINICAL TRIALS Phase I (~25) Phase II (4) Phase III (2) Haiti T&T Conduct/ed Clinical trials Planned > 50 intressanta HIV- vaccinkandidater prövade i djurmodell

50 The Thai Trial Inledande vaccinationer (priming) Fågelpoxvirus (Canary pox) med tre olika antigen (protein) från HIV-1 (0, 1, 3, 6 mån). Ej adjuvant. Uppföljande vaccination (boost) Recombinant höljeprotein (env) (3 & 6 mån). Alum-adjuvant

51 The Thai Trial Protective efficacy 31.2% ( %, p=0.039) 51/8197 vaccinees infected 74/8198 placebo infected No effect on viral load

52 STEP studien avbröts i September 2007 efter interim analys Vaccinerade volontärer med Ad5 antikroppar löpte högre risk att få HIV än placebo gruppen Charlotta Nilsson

53 Lu W,, Andrieu J-M. Cell Reports 2012;2:

54 HIV-vaccin - oral immunisering Lu et al. Cell Reports 2012:2, Lactobacillus plantarum + avdödat SIV gav totalt skydd i 15/16 rektalt exponerade apor. Immunsvar uteblev, men man fann ett ökat antal HLA-E beroende SIV-specifika CD8+ T celler (Treg). Charlotta Nilsson

55 CD8+ Tregmedierad oral tolerans

56 Arabidopsis Antigen Gene mrna Protein Feeding p17 * p17_sekdel * * Tat/Nef * * p24 p17 Tat/Nef Nef p24 * * * * Crossing the transgenic plants p24;p17;tat/nef

57 How vaccines are developed Basic research Preclinical development Clinical trials Phase I/II Phase III Laboratory in vitro & animal studies Human research Safety, Discovery Exploration Immunogenicity Efficacy Vaccine concept Experiments in primates Human trials Safety, immunogenicity Likelihood of protection in humans 1: Recombinant Protein 2: Synthetic Peptides 3: Naked DNA 4. Live-recombinant vectors- 5: Whole inactivated virus 6: Live attenuated virus

58 Molecular farming och vaccinforskning vid Örebro universitet - projekten HIV-1 (p24, p17, tat, nef) Klamydia (Major Outer Membrane Protein, MOMP) Rift Valley Fever (boskapsvirus) Autoimmun artrit (samarb N. Lycke, Göteborg) Helicobacter pylori (ton B; magsårsbakterier, samarb L. Engstrand, KI) Hemofilus influensae (samarb K. Riesbeck, Malmö) Taenia solium (cysticercos, binnikemask, gris) TBE (fästingburen hjärnhinneinflammation) Adjuvants (immunstimulerande ämnen) Fiskvirus Produktionsmetoder Immunologiska mekanismer (Göteborgs univ.)

59 Frystorkad växtsubstans i gelatinkapslar

60 Bonden Elford s ängar i Dorset, England, där de första moderna smittkoppsvaccinationerna utfördes i slutet av 1700-talet

61 Acknowledgements Örebro University, Sweden Prof Åke Strid Ingrid Lind, PhD Irina Kalbina, PhD Helena Sävenstrand, PhD Nikolai Scherbak, PhD Örebro University Hospital, Sweden Docent Sören Andersson Sara Thulin-Hedberg, PhD Kerstin Malm Swedish Institute for Communicable Disease Control Andreas Bråve, PhD David Hallengärd Marianne Diurson Nina Lagerqvist Kerstin Falk Uppsala University, Sweden Prof Peter Engström Anita Wallin, PhD Prof Anders Kvarnheden Naeem Sattar Göteborg University, Sweden Prof Nils Lycke Ellen Marks, PhD Lotta Hansson, PhD student Darmstadt University, TU, Germany Prof Heribert Warzecha Christine Seither Linköpings University, Sweden Prof Jorma Hinkula The work was funded by: Örebro University s Faculty for Science and Technology Sparbanksstiftelsen Nya Nyckelfonden Örebro County Council Stiftelsen Clas Groschinsky The Swedish International Development Agency s Dept of Research Cooperation for Financial Support Swedish Institute / DAAD Stiftelsen Lars Hiertas Minne Helge Ax:son Johnsons Stiftelse

62 Tack!