mRNA-based prime-and-pull vaccination combines benefits of subcutaneous and mucosal BCG vaccination

Problemstellung
Der derzeit zugelassene Tuberkulose-Impfstoff (TB), Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guérin (BCG), schützt Kinder effektiv vor schweren Formen der Erkrankung, bietet jedoch einen variablen und oft unzureichenden Schutz gegen pulmonale Tuberkulose, die transmissibelste Form. Während mukosale Impfstrategien als ein vielversprechender Ansatz zur Erzeugung einer robusten lokalen Lungenimmunität und von gewebeständigen Gedächtniszellen (TRM) hervorgetreten sind, stehen sie vor erheblichen Sicherheitsbarrieren. Insbesondere die mukosale Verabreichung von Lebendimpfstoffen (LAVs), wie etwa aerosolisierter BCG, birgt Risiken einer unkontrollierten Replikation und übermäßiger Entzündungen, welche die Gewebeintegrität und den Gasaustausch in der Lunge beeinträchtigen können. Es besteht ein dringender Bedarf an einer Impfstrategie, die die hohe Immunogenität der mukosalen Verabreichung mit dem Sicherheitsprofil nicht-replizierender, parenteraler Impfstoffe verbindet.

Methodik
Die Autoren entwickelten und evaluierten eine mRNA-basierte „Prime-and-Pull“-Impfstrategie. Dieser Ansatz umfasst zwei Schritte:

1. Prime: Die systemische Immunität wird durch subkutane (SC) Impfung mit BCG (entweder Standard-BCG oder rekombinantes BCG, das den ESX-1-Locus exprimiert, BCG::RD1) etabliert.
2. Pull: Die lokale Lungenimmunität wird durch intratracheale (IT) Verabreichung von Lipid-Nanopartikel (LNP)-formulierter mRNA induziert.

Die Studie verwendete „Stealth“-LNPs (sLNPs), bestehend aus DOTAP, DOPE, Cholesterin und C16-PEG-Ceramid, um mRNA in die Lunge zu transportieren. Zwei verschiedene Antigenmodelle wurden getestet:

• Proof-of-Concept-Modell: Ein einzelnes Antigen, ESAT-6 (ein Schlüsselantigen von M. tuberculosis), wurde verwendet, um Dosierungsregime (einmalige Hochdosis vs. mehrfache Niedrigdosen) zu optimieren und die Ergebnisse mit SC- und IT-BCG-Kontrollen zu vergleichen.
• Multivalentes Modell: Vier mRNA-Konstrukte wurden generiert, die jeweils zwei Antigene kodieren (insgesamt acht Proteine: HBHA, HRP1, HspX, CFP10, Ag85B, VapB47, PPE18 und PE13). Diese wurden in hybriden F1-Mäusen (C57BL/6 × BALB/c) getestet, um die MHC-Kompatibilität zu verbreitern.

Die geimpften Mäuse wurden 60 Tage nach der Impfung mit aerosolisierter M. tuberculosis H37Rv herausgefordert. Die Ergebnisse wurden mittels Bakterienlast (KBE) in Lunge und Milz, histologischer Analyse der Lungropathologie, Durchflusszytometrie für T-Zell-Subsets (einschließlich TRM- und Stammzell-ähnlicher Gedächtniszellen) sowie Zytokinprofilierung bewertet.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

• Delivery und Expression: Die Studie zeigte, dass sLNPs mRNA erfolgreich über den intratrachealen Weg in Lungenzellen liefern, was die Proteinexpression in dendritischen Zellen und Neutrophilen innerhalb von 48 Stunden unterstützt.
• Optimierung der Dosierung: Im ESAT-6-Modell induzierte eine einmalige IT-Hochdosis (10 μg) von mRNA nach einem SC-BCG-Priming signifikant höhere Zahlen antigenspezifischer T-Zellen in der Lunge und der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit (BALF) im Vergleich zu mehrfachen Niedrigdosis-Regimen. Dieses einmalige Prime-and-Pull-Dosierungsregime erreichte T-Zell-Frequenzen, die mit den durch IT-BCG induzierten Werten vergleichbar sind.
• Sicherheitsprofil: Während die IT-BCG-Impfung die höchsten Mengen an antigenspezifischen T-Zellen induzierte, verursachte sie auch eine signifikante Lungenpathologie und Entzündung. Im Gegensatz dazu induzierte die Prime-and-Pull-Strategie eine robuste lokale Immunität mit minimaler entzündlicher Zellinfiltration und signifikant reduziertem Lungengewebsschaden im Vergleich zu IT-BCG.
• Multivalente Wirksamkeit: Der multivalente mRNA-Ansatz (der acht Antigene targetiert) verbesserte die humorale Antwort und steigerte die IgG-Titer gegen CFP-10, Ag85b und HspX im Vergleich zu den BCG-only-Gruppen signifikant. Entscheidend war, dass diese Strategie höhere Frequenzen von stammzellähnlichen Gedächtnis-T-Zellen (TSCM) in der Lunge und in den mediastinalen Lymphknoten im Vergleich zu IT-BCG induzierte, was auf eine potenziell dauerhaftere Immunität hindeutet.
• Protektive Immunität: Nach einer Herausforderung mit M. tuberculosis verlieferte die Prime-and-Pull-Strategie einen mit IT-BCG vergleichbaren Schutz bei der Reduzierung der bakteriellen Lungenzahl und der Pathologie, während sie ein niedrigeres Entzündungsprofil als IT-BCG und einen überlegenen Schutz gegenüber SC-BCG allein aufwies.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper präsentiert die Prime-and-Pull-Strategie als einen „modularen“ translationalen Ansatz, der die Lücke zwischen der verbesserten Immunogenität der mukosalen BCG-Impfung und der Sicherheit der parenteralen BCG-Verabreichung schließt. Die Autoren behaupten, dass diese Strategie erfolgreich die Rekrutierung von Immunzellen von der gewebezerstörenden Entzündung „entkoppelt“. Durch die Verwendung von nicht-replizierender mRNA, um systemische Immunzellen in die Lunge zu „ziehen“, erreicht die Plattform eine protektive Immunität gegen pulmonale TB bei gleichzeitig geringeren Risiken einer unkontrollierten Replikation oder übermäßiger Entzündung, die mit lebend-attenuierten Vakzinen assoziiert sind.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser Ansatz einen Proof-of-Principle für ein ausgewogenes Impfregime liefert, das übermäßige Entzündungen begrenzt und gleichzeitig die Immunogenität und den Schutz aufrechterhält. Die Autoren positionieren dies nicht als finale universelle Formulierung, sondern als eine flexible Plattform, bei der die Antigenzusammensetzung und die Verabreichung weiter optimiert werden können, um den spezifischen Herausforderungen der respiratorischen TB-Impfstoffentwicklung zu begegnen.