Food-grade bacterial vectors as novel tuberculosis vaccines

Tuberkulose (TB) forårsakes av Mycobacterium tuberculosis og er en meget alvorlig sykdom med nesten 10 millioner nye tilfeller og 1,4 millioner dødsfall hvert år. Den nåværende BCG vaksinen har begrenset effekt mot infeksjon og overføring av smitte. Derfor er en av de høyeste prioriteter innen TB forskning å utvikle en mer effektiv vaksine som vil øke vaksinasjonsgraden spesielt i de fattigste landene og dermed hjelpe til å nå "Tusenårsmålene for global utvikling" (The Millennium Development Goals). Helt nye tilnærminger må til for å nå dette. Målet til dette prosjektet er å modifisere bakterier som finnes i ulike mat produkter slik som yoghurt, og benytte disse som leveringsvektorer av tuberkulose vaksine. Vi vil benytte bakterien Lactobacillus som finnes i tarmen til mennesket og som overlever de tøffe omgivelsene i tarmen og magesekken. Denne metoden og disse bakteriene kan i prinsippet gi en vaksine som er lett å produsere (f.eks yoghurt), enkelt å lagre og lett å administrere (ingen nåler). En slik vaksine kan i prinsippet indusere mukosal immunitet og dette kan gi en unik og etterlengtet mulighet til å hindre (istedenfor å bekjempe) infeksjon og redusere overføring. Prosjektet bygger på tidligere utviklede metoder for å modifisere Lactobacillus, slik at bakteriene kan feste komponenter på utsiden av seg selv. Vi har mulighet til å feste komponentene på ulike måter. De kan festes slik at de stikker ut av overflaten; de blir da lett "synlige" for immunceller, men også sårbare for nedbryting. Alternativt, kan de plasseres mer neddykket i bakteriens cellevegg. Vi har også mulighet til å merke bakteriene med signaler som adresser dem direkte til de viktigste immuncellene. Vi samarbeider med et Europeisk nettverk på tuberkulosevaksineforskning, koordinert av TuBerculosis Vaccine Initiative (www.tbvi.eu) og med gruppen til Rajko Reljic ved St. George's University of London. Etter å ha brukt en del år på å utvikle nye verktøy for å generere best mulig stammer, har de første vaksinekandidatene nå blitt testet i en musemodell. Dette er veldig store og dyre eksperimenter, som krever spesialisert kompetanse og infrastruktur og vi har utført slike eksperimenter ved St. George's University of London, i gruppen til Dr Rajko Reljic. Reljic-gruppen ser stort potensiale i vårt arbeid og har derfor brukt betydelige egne ressurser. Forsøkene viste at flere kandidatstammer beskytter mus mot Mycobacterium tuberculosis, som er et veldig viktig og oppmuntrende resultat. Ved siden av indusert immunitet så vi også (ønskelig) aktivering av humoral og cellulær immunitet. Ytterligere skritt i utviklingen av vaksinestammer omfatter bruk av ulike typer adjuvanser (uttrykt på bakterieoverflaten), mer avansert genetisk modifisering (CRISPR/Cas etablert i 2018), utvikling av ikke-GMO alternativer, og andre typer optimalisering av eksisterende verktøy. I prosjektets aller siste fase har vi fokusert på optimalisering av eksisterende verktøy (inkl. CRISPR/Cas), og vi har utført museforsøk for å teste immunogenisiteten på nye lovende vaksinekandidater (= ny-utviklede Lactobacillus stammer). Vi har fullført systematiske studier rettet mot å finne de Lactobacillus sortene som gir best effekt når de brukes som Tb vaksine og vi har sammenlignet flere måter og «ankre» vaksinen til bakterienes overflate. Disse forsøkene viser at vaksinekandidatene i flere tilfeller genererer en ønsket mukosal immunrespons. For å ytterligere teste og utvikle den generiske verdien av våre teknologier, har vi kjørt parallelle prosjekter, med masterstudenter og gjesteforskere, hvor våre verktøy for proteinsekresjon og forankring brukes til å uttrykke andre proteiner, inklusive vaksiner. Vi ser blant annet på kreftantigener. Prosjektet har blitt presentert på nasjonalt fjernsyn (Schrödingers Katt, 2.10.2014, se https://tv.nrk.no/serie/schrodingers-katt/DMPV73002014/02-10-2014#t=16m48s; innslag no. 5), i Aftenposten Viten i 2018 (https://www.aftenposten.no/viten/i/wERPwP/Hap-for-ny-tuberkulosevaksine---Norge-med-i-kapplopet), og, nylig, på Forksning.no, med både tekst og video (https://forskning.no/nmbu-norges-miljo-og-biovitenskapelige-universitet-partner-vaksiner/nesespray-vaksine-mot-tuberkulose-viser-lovende-resultater-i-museforsok/1315644). Det jobbes aktivt med å bygge videre på prosjektets svært lovende resultater, primært i samspill med TBVI, og forhåpentligvis blant annet i form av et framtidig EU-prosjekt.

Outcome 1: A unique toolbox for anchoring proteins (e.g. antigens) to the surfaces of safe bacteria (lactobacilli) that occur in humans and food. Components of this toolbox are today used by researchers all over the world. The toolbox allows variation of the set-up: the Lactobacillus strain, the antigen, the anchoring method, the amount of antigen, the genetic technology (GMO, non-GMO). Outcome 2: A series of Lactobacillus strains with anchored tuberculosis antigens that induce favourable immune responses, including much sought after mucosal immune responses. Based on analysis of the many variables listed above, a picture of what set-ups work best is emerging. Outcome 3: Infection ("Challenge") trials with mice show that the most promising candidate Lactobacillus-based vaccine strains indeed reduce tuberculosis infections. Further steps to eventually reach clinical trials are coordinated with European research groups, through TBVI, The Tuberculosis Vaccine Initiative.

Tuberculosis (TB) is a re-emerging disease and is one of the leading causes of morbidity and mortality in humans, primarily in low-income countries. The current BCG vaccine has variable effectiveness and the need to develop novel vaccines with simplicity, safety and low cost is urgent. Furthermore, there is a need for vaccines that induce mucosal immunity, thus potentially blocking transmission. We will focus on innovative microbial delivery technologies based on food-grade Lactobacillus species, includin g further development of generic technologies for vaccine display on the surfaces of these unique commensal bacteria with interesting immunomodulatory properties. We will team up with the TuBerculosis Vaccine Initiative (TBVI), a top level international n etwork with partners from higher, middle and lower income countries. By doing so, we will combine the best of international tuberculosis vaccine research with advanced safe microbial delivery technologies, while at the same time ensuring an optimal pipeli ne for communication, implementation and knowledge transfer. The research comprises five interrelated activities: 1. Designing and engineering Lactobacillus strains, based on the applicant's generic technologies and with help of international experts for antigen and adjuvant selection. 2. Verification of immunological effects using cell cultures and basic mouse models, combined with a wide variety of response (immunological) analyses. 3. Pre-clinical efficacy tests in standardized TBVI-quality-controlled mouse models. 4. L. plantarum genome modification to increase the safety of promising strains. 5. Implementation, in particular in terms of designing and implementing product development trajectories, knowledge transfer, and initiating follow-up activitie s. Together with experts from the TBVI network, we will apply stringent criteria that need to be met for candidate strains to progress in this vaccine development and characterization pipeline.