Vaksiner er essensielle verktøy i akvakulturindustriens arbeid for å kontrollere smittsomme sykdommer. Patogener kommer vanligvis inn i fisk gjennom slimhinner (gjeller, hud, finnebaser, tarm), noe som gjør slimhinnevaksiner som aktiverer immunforsvaret ved disse inngangspunktene avgjørende, spesielt i tidlige infeksjonsfaser. Oral levering av slike vaksiner gjør administrasjonen enklere uten å måtte ta fisken ut av vannet og penetrere slimhinnen. Imidlertid er det for tiden bare noen få orale vaksiner for fisk tilgjengelig.
MucoProtect II-prosjektet hadde som mål å demonstrere effektiviteten av vår nye alginatpartikkelbaserte leveringsplattform, utviklet i MucoProtect I, for å levere et testproteinantigen til atlantisk laks og generere en robust antistoffrespons. Vårt ultimate mål er å lage et forbedret antigenleveringssystem som kan inkorporeres i fôr og brukes som effektive orale vaksiner for masseimmunisering av oppdrettsfisk mot ulike patogener. Vi produserte med suksess MucoProtect nano- og mikropartikler med lipopolysakkarider (LPS) som adjuvans og bovint serumalbumin (BSA) som testproteinantigen. Våre kandidatvaksiner viste ingen toksisitet i cellekulturer eller eksperimentell fisk. I tillegg utviklet vi en ny bioplex-analyse for å måle antistoffresponsene i fisk mer sensitivt, i tillegg til standard ELISA-analyser for å oppdage enten anti-BSA antistoffer eller tilstedeværelsen av BSA selv.
For å studere antigenfrigjøring, sporet vi BSA over tid i laksens gastrointestinale trakt, og sammenlignet forskjellige fôrinkorporerte MucoProtect-partikler (nano- vs. mikropartikler, og ubelagte vs. belagte nanopartikler). Vi fant betydelige mengder BSA i fiskens midt- og endetarm opptil 48 timer etter fôring, uavhengig av partikkeltype. Dette bekrefter at vårt antigen målrettet kan nå opptaksstedet, og potensielt initiere nødvendige tarm-assosierte immunresponser. I tråd med dette oppdaget vi en markert økning i BSA-spesifikke antistoffer i fiskeserum ved uke 6 etter første fôring, selv om nivåene var lavere enn de som ble observert med høy-does intraperitoneal (IP) injeksjon.
Vi gjennomførte deretter et storskala vaksinasjonseksperiment for å sammenligne antistoffresponser på tvers av forskjellige leveringsruter og vurdere bidragene fra hver MucoProtect nano-vaksinekomponent. Ved høy BSA-dose (1000 µg/fisk) utløste IP-injeksjon av MucoProtect nano-vaksinen en rask, sterk og vedvarende serumantistoffrespons hos alle fisk (100 % respondenter), mens moderate (250 µg/fisk) og lave (50 µg/fisk) doser produserte lavere og mer kortvarige responser.
Levering av MucoProtect nano-vaksinen via anal intubasjon utløste en sterk-til-moderat respons hos 30 % av fisken. Den lavere responsraten skyldtes sannsynligvis lekkasje under administrasjonen, ikke et problem med selve vaksinen. Disse resultatene indikerer at atlantisk laks kan generere en robust systemisk antistoffrespons når tilstrekkelig antigen når tarmens immunvev.
Oral vaksinasjon ved bruk av ulike fôringsskjemaer ga svært lave serumantistoffresponser hos 10-20 % av fiskene, noe som tyder på at utilstrekkelig antigen nådde tarm-assosierte lymfoide vev for å utløse en effektiv immunrespons. Imidlertid viste noen fisk konsekvent BSA-spesifikke serumantistoffer på tvers av flere prøvetakingspunkter, og bekreftet dem som ekte respondenter. Etter 8 uker viste noen oralt vaksinerte fisk også forhøyede nivåer av BSA-spesifikke antistoffer i tarmslim sammenlignet med kontroller.
Avslutningsvis viser MucoProtect nanopartikkel leveringssystem potensiale for oral vaksinasjon hos atlantisk laks, selv om ytterligere forbedringer fortsatt er nødvendig (dvs. bruke et mer immunogent antigen, forbedre antigenstabilitet i fordøyelseskanalen, øke inkorporering av nanopartikler i fôret).
The MucoProtect nanoparticle delivery system demonstrates significant promise for advancing vaccination strategies in Atlantic salmon. Although the project did not reach the ultimate goal of developing an oral mucosal vaccine for fish (further refinements are necessary for the oral feed vaccine preparation), the results from vaccination trials were promising.
Our antigen delivery system presents a safe, cost-effective, and robust vaccination strategy that could greatly benefit the aquaculture industry. It is worth noting that an enhanced immune response in Atlantic salmon was achieved even with a relatively low-immunogenic model protein antigen (BSA), indicating potential as a vaccine platform for fish pathogens where vaccine development has been challenging due to lack of immunogenic targets.
While further investigation is needed, the MucoProtect delivery system could also be adapted for use with nucleic acid-based vaccines, such as DNA or mRNA vaccines. The nanoparticle platform’s capacity for sustained release and enhanced protection of payloads positions it as a promising tool for improving immune induction following intramuscular injections. This approach could provide a novel solution for delivering advanced vaccine technologies and extending their benefits to aquaculture applications.
Beyond its practical applications, our in vivo trials using the MucoProtect platform have yielded additional scientific insights into the immune responses of Atlantic salmon—specifically, how different vaccine components and delivery routes influence systemic and localized B cell responses. This provides a foundation for broader research into fish immunology, advancing our understanding of vaccination strategies and immune mechanisms in aquaculture species.
In parallel with the growth of aquaculture, infectious diseases have become an increasingly greater problem and currently represent the most significant constraint on sustainable aquaculture worldwide. For the salmon farming industry, the salmon lice challenge is currently the most important tasks to solve. One of the key areas of success in managing fish health in aquaculture has been the development of vaccines. However, for many diseases including salmon louse, vaccines are not available, and the farming industry keeps facing new challenges.
Fish are continuously exposed to microorganisms in the aquatic environment. The mucosal surfaces lining the body form a physical barrier equipped with multiple dynamic and inducible immune effector mechanism crucial for the defence against environmental pathogens. Novel vaccine strategies that target these inductive sites properly are needed. Also, as antigens may not always evoke a sufficient immune response due to their nature, the path by which the vaccine is delivered and its auxiliary components are critical factors for the success of immunization.
In MucoProtect, SINTEF and the Norwegian Veterinary Institute join advanced drug delivery technology with immune potentiating strategies to develop a novel and versatile vaccine delivery system customized for oral delivery of vaccines to fish: 1) New tailor-made and low-cost materials with inherent adjuvants will be developed and used to 2) produce nanoparticles specifically targeting key initiators of the immune response to prime the mucosal barriers to resist infection. If successful, MucoProtect will offer 3) new and more effective tools for preventing and controlling salmon lice that will increase the sustainability of the industry. MucoProtect will also 4) provide increased knowledge on central aspects of the mucosal immune system of Atlantic salmon and establish novel assays for assessing the effects of vaccines, both essential for future vaccine development.
The main goal of MucoProtect-II will be to demonstrate that the new alginate particle-based delivery platform developed in MucoProtect-I can increase the efficacy of newly identified salmon lice antigen in Atlantic salmon.
MucoProtect-II will have two dominant research questions:
? Can antigen in alginate particles, following (feed-based) oral administration, induce the production of antigen-specific antibodies in blood and mucus
? Can LPS via its immunogenicity act as immune stimulant in an oral particle-based vaccine, ie act as adjuvant?
The project will use advanced equipment and methodology developed in MucoProtect-I to produce and characterize a range of alginate particles with variation in size, LPS content, (pH dependent) stability, antigen capacity and more. The project will develop new in vitro and ex vivo methods and models to test, among other things, stability of particles under different conditions, leakage of antigens and mucus penetration of particles of different sizes. The alginate particles will then be formulated for oral delivery (feed). Finally, the project will use vaccine trials as the critical yardstick for success: Can the antigen in the alginate particles induce specific antibodies after oral administration?
