ICRAD Nucleic NanoVaccines for Fish

Oppdrettsfisk er mottagelige for ulike infeksjonssykdommer, hvor virusinfeksjoner har en betydelig innvirkning på fiskens helse, velferd og lønnsomheten i akvakulturnæringen. Samtidig som vi vaksinerer et stort antall fisk i Norge er det per i dag finnes det få vaksiner mot virussykdommer hos oppdrettsfisk i Europa generelt, spesielt for mindre fisk som yngel, som ikke enkelt kan vaksineres ved injeksjon. For å møte denne utfordringen er det et presserende behov for innovative vaksineteknologier. En lovende løsning er mRNA-vaksiner, en teknologi som allerede har vist seg effektiv hos mennesker, men som fortsatt er i liten grad utprøvd hos fisk. Disse vaksinene er enklere å produsere og anses som tryggere enn DNA-vaksiner. Dette prosjektet hadde som mål å utvikle en plattform for utvikling av mRNA-vaksiner spesielt tilpasset fisk. Kjernen i prosjektet var utformingen av mRNA-konstruksjoner som kunne injiseres i fisk. For å sikre effektiv levering til fiskens muskelvev, ble mRNA stabilisert ved hjelp av en lipo-nano-partikkel (LNP)-plattform bestående av biologisk nedbrytbare polymerer og lipider. Første steg i prosjektet var å teste disse konstruksjonene under laboratorieforhold for å sikre at de kunne utløse produksjonen av målrettede proteiner. Vaksinene ble testet på tre viktige fiskearter – atlantisk laks, regnbueørret og karpe – mot fire betydningsfulle virussykdommer. Fiskene ble vaksinert med ulike formuleringer og doser, etterfulgt av nøye overvåking av immunrespons og bivirkninger. Studiene i Norge fokuserte på infeksjoner hos laks. Reaksjoner på injeksjonsstedet: Noe lokal betennelse ble observert på injeksjonsstedene, noe som er typisk for vaksiner som stimulerer kroppen til å gjenkjenne og reagere på fremmede proteiner. Immunresponser: Antistoffnivåene varierte, men fisk som fikk lavere doser av mRNA med spesifikke formuleringer viste lovende sterkere immunresponser. Virustest etter vaksinering: Vaksinerte fisk ble senere utsatt for virus. Resultatene indikerte at høyere antistoffnivåer var knyttet til lavere virusmengder, noe som tyder på potensiell beskyttelse mot sykdommen. En utfordring som ble identifisert var stabiliteten til mRNA-formuleringer for alternative leveringsmetoder, som oral eller bad-immunsiering. Foreløpige tester for oral levering viste begrenset suksess, noe som understreker behovet for forbedrede stabiliseringsteknikker for ikke-injiserbare vaksiner. Prosjektet involverte seks ekspertpartnere fra hele Europa, som kombinerte kompetanse innen fiskens immunologi, vaksinologi og nanopartikkellevering. Dette samarbeidet sikret en helhetlig tilnærming til utviklingen av tryggere og mer effektive vaksiner. Denne forskningen representerer et betydelig steg mot utvikling av nye, trygge og effektive vaksiner for akvakulturnæringen. Ved å forbedre fiskens helse og velferd, støtter prosjektet mer bærekraftig og lønnsom oppdrettspraksis i Europa. Selv om intramuskulær injeksjon fortsatt er den mest pålitelige metoden, kan fremtidige innovasjoner åpne for bredere og mer tilgjengelige vaksineringsstrategier.

NucNanoFish encompasses a comprehensive approach to fish pathology and immunology, focusing on key pathways essential for developing effective nucleic acid (NA) vaccines in fish. While detailed studies were conducted on a limited number of host-pathogen infection models, the outcomes offer valuable insights into immunological factors that are central to the future development of vaccines. When administered via injection, DNA vaccines typically cause mild side effects compared to oil-adjuvanted vaccines. mRNA vaccines are considered even safer for injection, as the risk of genome integration is negligible. This project successfully demonstrated that mRNA preparations can be efficiently produced in the laboratory, including formulations designed to express two different antigens simultaneously. Extensive laboratory trials confirmed the expression of target proteins in fish cells. Importantly, local reactions at injection sites were observed but were within acceptable limits, consistent with the normal immune response expected from foreign antigen expression. Moreover, vaccinated fish developed a humoral immune response, with measurable antibody levels detected post-vaccination. Interestingly, fish receiving lower mRNA doses with specific formulations exhibited stronger immune responses, and preliminary virus challenge studies suggested a correlation between higher antibody levels and reduced viral loads. These results confirm the feasibility of mRNA vaccines for fish, laying the groundwork for the development of safer, more effective vaccines to improve fish health and welfare in the aquaculture industry.

Aquaculture is the fastest growing food production sector, but it is significantly constrained by infectious diseases. Impact of viral infections on fish health and welfare is particularly strong, involving important economic losses, and only few vaccines are available. Therefore, it is important to develop new vaccines to prevent fish viral diseases for the development of a sustainable aquaculture. Experimental DNA vaccines against fish viral infections have been developed, some providing high protection but they are injected and cannot be administered to small fish. mRNA vaccines hold hope, but they are just beginning to be tested in fish. In mammals, they often induce strong responses and good protection, appear to be fast to produce and are safer than DNA vaccines. The NucNanoFish project wil establish a nucleic acid platform using biodegradable nanoparticles for efficient delivery of vaccines, intra-muscular (IM) or by oral/bath, against well-known viral diseases of European farmed fish species. Four different models will be studied and we will produce and test DNA/mRNA nucleic acid vaccines using safe-by-design LipoNanoParticles (LNP). LNP are based on a PLA/PLGA (Poly-Lactic/Glycolic Acid) core surrounded with a lipid corona. We hypothesize that efficient uptake by mucosa or recruitment of Antigen Presenting Cells (APC) at site of injection will favour a protective immune response. NucNanoFish consists of a consortium of six partners, with complementary expertise: one in nanodelivery of antigen and mRNA using LNP, four groups of fish immunovirologists / vaccinologists and a biotech company in DNA production. We have selected three fish species: rainbow trout, common carp and Atlantic salmon, and four important and well-studied viruses: the Viral hemorrhagic septicemia virus (VHSV), a rhabdovirus; the Infectious pancreatic necrosis virus (IPNV), a birnavirus; the Salmonid alphavirus (SAV) and the Cyprinid herpesvirus3 (CyHV3).