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

Probleemstelling
Het huidige gelicenseerde vaccin tegen tuberculose (TBC), Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guérin (BCG), beschermt kinderen effectief tegen ernstige vormen van de ziekte, maar biedt variabele en vaak onvoldoende bescherming tegen pulmonale TBC, de meest besmettelijke vorm. Hoewel mucosale vaccinatiestrategieën een veelbelovende aanpak zijn geworden om robuuste lokale longimmuniteit en weefselresident geheugencellen (TRM) te genereren, worden zij geconfronteerd met aanzienlijke veiligheidsobstakels. Specifiek brengt de mucosale toediening van levend-verzwakte vaccins (LAV's), zoals aerosolisatie van BCG, risico's met zich mee van ongecontroleerde replicatie en excessieve inflammatie, wat de integriteit van het weefsel en de gasuitwisseling in de longen kan compromitteren. Er is een dringende behoefte aan een vaccinatiestrategie die de hoge immunogeniteit van mucosale toediening combineert met het veiligheidsprofiel van niet-replicerende, parenterale vaccins.

Methodologie
De auteurs hebben een mRNA-gebaseerde "prime-and-pull"-vaccinatiestrategie ontwikkeld en geëvalueerd. Deze aanpak omvat twee stappen:

1. Prime: Systemische immuniteit wordt gevestigd via subcutane (SC) vaccinatie met BCG (ofwel standaard BCG of recombinant BCG die de ESX-1 locus tot expressie brengt, BCG::RD1).
2. Pull: Lokale longimmuniteit wordt geïnduceerd via intratracheale (IT) toediening van mRNA geformuleerd in lipide nanodeeltjes (LNP's).

De studie maakte gebruik van "stealth" LNP's (sLNP's) bestaande uit DOTAP, DOPE, cholesterol en C16 PEG-ceramide om mRNA naar de longen te transporteren. Twee afzonderlijke antigene modellen werden getest:

• Proof-of-Concept Model: Een enkel antigeen, ESAT-6 (een sleutelantigeen van M. tuberculosis), werd gebruikt om doseringsregimes te optimaliseren (één enkele hoge dosis versus meerdere lage doses) en uitkomsten te vergelijken met SC en IT BCG-controles.
• Multivalent Model: Vier mRNA-constructen werden gegenereerd, waarbij elk twee antigenen codeerden (totaal acht eiwitten: HBHA, HRP1, HspX, CFP10, Ag85B, VapB47, PPE18 en PE13). Deze werden getest in hybride F1 (C57BL/6 × BALB/c) muizen om de MHC-compatibiliteit te verbreden.

Gevaccineerde muizen werden 60 dagen na vaccinatie blootgesteld aan een aerosol van M. tuberculosis H37Rv. Uitkomsten werden beoordeeld op basis van bacteriële belasting (CFU) in de longen en milt, histologische analyse van longpathologie, flowcytometrie voor T-celsubsets (inclusief TRM en stemcelachtige geheugencellen) en cytokineprofilering.

Belangrijkste bijdragen en resultaten

• Levering en expressie: De studie toonde aan dat sLNP's mRNA succesvol naar longcellen leveren via de intratracheale route, wat de eiwitexpressie in dendritische cellen en neutrofielen binnen 48 uur ondersteunt.
• Optimalisatie van dosering: In het ESAT-6 model induceerde een enkele hoge dosis (10 μg) IT-toediening van mRNA volgend op SC BCG-priming aanzienlijk hogere aantallen antigeenspecifieke T-cellen in de longen en broncho-alveolaire lavagevloeistof (BALF) vergeleken met regimes van meerdere lage doses. Dit enkele dosis "prime-and-pull"-regime bereikte T-cel frequenties die vergelijkbaar waren met die geïnduceerd door IT BCG-vaccinatie.
• Veiligheidsprofiel: Hoewel IT BCG-vaccinatie de hoogste niveaus van antigeenspecifieke T-cellen induceerde, veroorzaakte het ook significante longpathologie en inflammatie. In tegen behoren induceerde de prime-and-pull-strategie robuuste lokale immuniteit met minimale inflammatoire celinfiltratie en aanzienlijk minder weefselschade aan de longen vergeleken met IT BCG.
• Multivalente effectiviteit: De multivalente mRNA-aanpak (gericht op acht antigenen) verbeterde de humorale responsen en verhoogde de IgG-titers tegen CFP-10, Ag85b en HspX aanzienlijk vergeleken met de BCG-alleen groepen. Cruciaal was dat deze strategie hogere frequenties van stemcelachtige geheugent (TSCM) cellen in de longen en mediastinale lymfeklieren induceerde vergeleken met IT BCG, wat wijst op potentieel voor meer duurzame immuniteit.
• Beschermende immuniteit: Bij een M. tuberculosis challenge bood de prime-and-pull-strategie bescherming die vergelijkbaar was met IT BCG in het verminderen van de bacteriële belasting in de longen en pathologie, terwijl het een lager inflammatoir profiel behield dan IT BCG en superieure bescherming bood aan SC BCG alleen.

Betekenis en claims
Het artikel presenteert de prime-and-pull-strategie als een "modulaire" translationele aanpak die de kloof overbrugt tussen de verbeterde immunogeniteit van mucosale BCG-vaccinatie en de veiligheid van parenterale BCG-administratie. De auteurs beweren dat deze strategie erin slaagt om de immuunrekrutering te "ontkoppelen" van de weefseldestructieve inflammatie. Door gebruik te maken van niet-replicerend mRNA om systemische immuuncellen naar de longen te "trekken" (pull), bereikt dit platform beschermende immuniteit tegen pulmonale TBC zonder de risico's van ongecontroleerde replicatie of excessieve inflammatie die geassocieerd zijn met levend-verzwakte mucosale vaccins.

De studie concludeert dat deze aanpak een bewijs van principe (proof-of-principle) levert voor een gebalanceerd vaccinatieregime dat excessieve inflammatie beperkt terwijl de immunogeniteit en bescherming behouden blijven. De auteurs positioneren dit niet als een definitieve universele formulering, maar als een flexibel platform waarbij de antigeensamenstelling en toediening verder kunnen worden geoptimaliseerd om de specifieke uitdagingen van de ontwikkeling van respiratoire TBC-vaccins aan te pakken.