Creating efficient vaccine candidates against Tuberculosis using mutant Mycobacterium smegmatis

Tuberkulose tar mange liv i store deler av verden. Tuberkulose er forårsaket av bakterien Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Mtb suksess som patogen skyldes blant annet at bakterien har spesialisert seg på å infisere de cellene som egentlig skal ta livet av bakterier i kroppen vår, f.eks. makrofager. Nylig ble det vist at en ikke-patogen mycobacteria, Mycobacterium smegmatis (Msmeg), som var mutert i genene for et protein sekresjonssystem, Esx-3, fungerte som en god vaksine mot Mtb i en musemodell av Mtb-infeksjon. Vårt prosjekt er et «young scientist grant» prosjekt som i tillegg til gode forskningsresultater også skal hjelpe å bygge talentfulle forskeres karriere. I vårt prosjekt ønsker vi å finne ut hvordan mutante Msmeg kan gi beskyttelse mot mykobakterieonfeksjoner og ved hvilken mekanisme dette skjer. I de første årene av prosjektet har vi publisert totalt 4 artikler i vitenskapelige tidsskrifter og har arbeid som vil gi flere publiseringer i videre arbeid med prosjektet. Prosjektet har også gitt prosjektleder muligheten til å bidra til oppbygging av et sterkere global helse-miljø ved NTNU og i Norge og styrke muligheten for å bygge internasjonale nettverk innen vaksineforskning og antibiotikautvikling. Et direkte resultat av dette er at prosjektleder har fått mulighet til å være med på et europeisk konsortsium som lykkes i å få finansiert et prosjekt gjennom Joint programing intitiative in antimicrobial resistance (JPIAMR) som startet i januar 2015. Første del av prosjektet (2013-2014) ble benyttet til å etablere verktøy for å utrykke rekombinante proteiner i mykobakterier. Det beskrevne arbeidet ble publisert i september 2015. Vi har etter dette utviklet verktøy for å studere Msmeg og mutante Msmeg og hvordan disse bakteriene behandles av antigenpressenterende celler som muligens er viktige for å gi gode vaksiner. Vi ønsker også å forstå hvilken rolle protein sekresjon via Esx-3 har i mykobakterier. Sammen med våre internasjonale samarbeidspartnere ved Harvard School of Public Health publiserte vi deler av dette arbeidet i den prestisjefylte Open Access journalen mBio i mai 2014. En del av arbeidet vårt i 2014 var å studere forskjeller i vertens respons på eksponering til Msmeg og mutert Msmeg. Preliminært kan vi konkludere med at mutanten overlever signifikant dårligere enn villtypen og signaleringen fra vertscellen er forskjellig i de to tilfellene. I 2014 startet vi også arbeidet med å forberede vaksine-stammene vi planlegger å bruke i vaksineforsøk senere i prosjektet. I 2015 utviklet vi verktøy for å undersøke antigenpresenterende egenskaper. Vi utnytter her proteinet ovalbumin hvor epitopene for presentasjon fra makrofager og dendrittiske celler er godt kjent. Ved hjelp av dette verktøyet har vi testet potensielle vaksinevektorer og evaluert deres relative evne til å indusere antigenpresentasjon hos makrofager og dendrittiske celler. Resultatene våre indikerer at vaksinevektorene vil gi god antigenpresentasjon og vi er optimistiske på bruk av dem i videre arbeid. I tillegg har vi jobbet videre med utviklingen av potensielle epitoper for vår vaksine og vil begynne utprøving av disse i museforsøk i desember 2015. 2015 har vært et produktivt år publikasjonsmessig. Vi har publisert ett arbeid på ekspresjons systemet vi har utviklet (PLOS One, September 2015) og i tillegg har vi publisert mer om funksjonen til ESX-3 i jernopptak (AAC, Februar 2015). I tillegg har prosjektleder gitt viktige bidrag til to andre publikasjoner som er relatert til prosjektet, men hvor ikke resultatene kan anvendes direkte til vaksineutvikling (JI, November 2014, og PNAS, Juli 2015). I 2016 har vi fortsatt utviklingen av vaksinvektoren vår vi har initiert testing av vaksinen i mus mot mykobakterieinfeksjoner. Vi har presentert data på "the Conference on Molecular Mechanisms of Inflammation" i Trondheim, Norge og "the EMBO conference: Tuberculosis 2016: Interdisciplinary research on tuberculosis and pathogenic mycobacteria" i Paris, Frankrike. I 2017 har vi prøvd ut vår vaksine mot mykobakterieinfeksjoner i en musemodell for mykobakterieinfeksjon. Vi har analysert preliminære data og finner interessante forskjeller mellom den tradisjonelle BCG-vaksinen og vår vaksine. Videre har vi også studert hvordan mykobakterier endrer seg over tid under infeksjon og hvordan dette påvirker bakterienes evne til overlevelse. I 2018 har vi ferdigstilt arbeidet om genetisk utviklin av mykobakterier under infeksjon og har fått akseptert en artikkel på dette i Infection & immunity. Doktorgradstudenten som har vært tilknyttet prosjektet ble også ferdig med sitt arbeid og disputerte i mai 2018. Vi har også jobbet videre med arbeidet rundt en ny vaksinevektor for mykobakterie-vaksiner og vil trolig publisere denne i løpet av 2019.

The project has resulted in closer collaboration between research groups at NTNU and Harvard School of Public health. In addition the project laied the foundation for a new project funded by the JPIAMR-program on antimicrobial strategies towards mycobacterial infection. A project with 5 European research partners.

One of the leading causes of mortality in low and middle income countries is tuberculosis. Tuberculosis is caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Multidrug and extensively drug resistant Mtb strains are now common (6-10% of new cases) adding to the b urden of disease. To significantly reduce the burden of tuberculosis in low and middle income countries there is a need for improved health care systems, improved diagnostics, novel drugs and improved vaccines. Mtb are able to parasitize host phagocytes , including macrophages and dendritic cells. The establishment of this intracellular niche is known to be critical for the development of disease, but it also needed for the production of an effective innate and cell-mediated adaptive immune response. Recently, it has been shown that a nonpathogenic mycobacterium, Mycobacterium smegmatis (Msmeg) strain, mutated in the protein secretion system Esx-3 had superior protection abilities in a murine model of Mtb infection. In our proposed project we will i nvestigate how mutant Msmeg can provide protection against Mtb infection. By combining advanced proteomics technology with knowledge in mycobacterial genetics and cell biology we want to reveal changes in the mutant Msmeg, how the change affects killing o f the bacterium in macrophages and the antigen presenting machinery. The knowledge from understanding mutant Msmeg interaction with host will provide a scientific base for designing novel vaccine candidates. An additional important aspect of our proposal is the building of long term capacity for high quality research on infectious diseases through increased collaboration between three Norwegian groups working on tuberculosis (NTNU, Rikshospitalet and Gades) as well as collaboration with international gro ups on mycobacterial diseases (Harvard School of Public Health, Boston, USA and Tsinghua University, Beijing, China).