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A new vaccine strategy for HCV : Presentation of Hepatitis C Virus hypervariable region 1 on HBV capsid-like particles

Lange, Milena

More than 170 million people worldwide are chronically infected with the Hepatitis C Virus (HCV). The recommended treatment with interferon-α in combination with Ribavirin does not lead to satisfactory results. A prophylactic vaccine against HCV is not available yet, and its development is a challenging task. It is well documented that the viral persistence is caused by effective evasion of the virus from adaptive immune response. On the other hand, HCV clearance is associated with rapid induction of neutralizing antibodies in the early phase of infection, as well as a cooperation between CD8+ cytotoxic and CD4+ helper T-cell responses. Recent data have demonstrated that antibodies to the hypervariable region I (HVRI) of HCV E2 are able to block both, cell-free as well as cell-to-cell, transmission of HCV. Therefore, the induction of HVRI-specific B-cells by a prophylactic vaccine is a very promising strategy for future vaccines. Previous vaccination trials with peptide, recombinant protein, DNA and vector-based vaccines in patients did not result in an induction of an effective immune response, which would effectively prevent the HCV infection. Due to this, a new strategy is required for the generation of a prophylactic vaccine. A particularly encouraging approach is the usage of cross-reactive HVRI variants presented on capsid-like particles (CLPs) to boost their immunogenicity For this purpose, an improved HBc-CLP vaccine displaying four different highly cross-reactive HVRI-variants was constructed. The efficiency of the vaccine was tested in mice and guinea pigs. Upon immunization of mice with single HVRI-variants, high titers of cross-reactive anti-HVRI antibodies were detected. A significantly stronger immune response was detected after immunization with a mixture of these CLP-HVRI-variants. These particles induced high titers of anti-HVRI antibodies, which were able to cross-react with 25% of naturally occurring HVRI sequences. In a neutralization assay with HCV pseudoparticles (HCVpp) the anti-HVRI antibodies were able to neutralize homologous as well as heterologous HCVpp. Moreover, the analysis of the neutralizing capacity of sera from these mice to HCVpp bearing envelope proteins derived from 19 patients showed that anti-HVRI antibodies were able to neutralize 40% of patient-derived HCVpp, demonstrating that HVRI-CLPs are indeed able to induce cross-neutralizing HCV antibodies. Furthermore, the induction of cross-reactive and cross-neutralizing antibodies could be verified in guinea pigs. Here guinea pig serum showed similar neutralizing capacity compared to mice serum.
Additionally, it was demonstrated that CLPs formed by the woodchuck core protein (WHc) that presents HVRI-variants, are similarly competent for assembly.
The presented results indicate that this new vaccine approach induces a potent anti-HVRI cross-reactive immune response, as well as cross-neutralizing HVRI-specific antibody responses. They consequently constitute a new strategy for a prototype vaccine against HCV infection in humans.

Weltweit sind derzeit mehr als 170 Millionen Menschen chronisch mit dem Hepatitis C Virus (HCV) infiziert. Die empfohlene Behandlungsstrategie, eine Kombinationstherapie mit Interferon-α und Ribavirin, führt jedoch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen. Die Entwicklung einer prophylaktischen Impfung stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar, welche bis heute nicht gelöst werden konnte. Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass die Viruspersistenz durch die Evasion des Virus vor der adaptiven Immunantwort verursacht wird. Die Eliminierung des Virus wird mit einer raschen Induktion von neutralisierenden Antikörpern, sowie einer Kooperation zwischen CD8+ zytotoxischen T-Zellen und CD4+ T-Helferzellen assoziiert. Aktuelle Studien beweisen, dass Antikörper gegen die Hypervariable Region I (HVRI) des E2-Proteins in der Lage sind, zellfreie, aber auch eine Übertragung des Virus von Zelle-zu-Zelle zu verhindern. Daher wurde bereits angenommen, dass die Induktion von HVRI-spezifischen B-Zellen eine der vielversprechendsten Ansatzmöglichkeiten für eine neuartige Vakzinierungsstrategie ist. Vorangegangene klinische Studien zur Entwicklung neuer Impfstoffe gegen HCV unter Verwendung von Peptiden, rekombinantem Protein, DNA und vektorbasierenden Vakzinierungsstrategien in Patienten waren ohne Erfolg und führten zu keiner ausreichenden Immunantwort. Infolgedessen werden neue wirksame Vakzinierungsstrategien dringend benötigt. Einen besonders vielverpsrechenden Ansatz stellt die Präsentation von kreuz-reaktiven HVRI-Varianten auf partikulären Trägern wie CLPs (capsid like particles) dar, welche deren Immunogenität um ein Vielfaches steigern können.
Zu diesem Zweck wurde eine Vakzine bestehend aus vier verschiedenen stark kreuz-reaktiven HVRI-Varianten, die auf HBc-CLPs präsentiert werden, konstruiert. Die Wirksamkeit wurde zunächst in Mäusen und anschließend in Meerschweinchen getestet. Nach der Immunisierung von Mäusen mit Einzelvarianten der HVRI konnten hohe Titer kreuz-reaktiver HVRI-Antikörper detektiert werden. Eine signifikant stärkere Immunantwort wurde beobachtet, nachdem die Mäuse mit einer Mischung der CLP-HVRI-Varianten immunisiert wurden. Diese Partikel induzierten starke Titer von HVRI-Antikörpern, welche außerdem in der Lage waren mit 25% natürlich vorkommender HVRI-Sequenzen kreuz zu reagieren. Im so genannten HCV-Pseudopartikel (HCVpp) Neutralisationssystem, konnte gezeigt werden, dass anti-HVRI Antikörper sowohl homologen als auch heterologen HCVpp neutralisieren können. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die HVRI-Antikörper im Serum dieser Mäuse in der Lage waren, HCVpp mit 19 verschiedenen, von Patienten isolierten HCV Hüllproteinen, zu 40% zu neutralisieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass HVRI-CLPs tatsächlich kreuz-neutralisierende HCV Antikörper induzieren können. Darüber hinaus konnte die Induktion von kreuz-reaktiven und kreuz-neutralisierenden Antikörpern im Meerschweinchen bestätigt werden, denn das Serum der Meerschweinchen wies vergleichbare Ergebnisse der Neutralisationseffizienz zu denen der Mäuse auf.
Abschließend konnte gezeigt werden, dass HVRI-präsentierende CLPs auch durch das Core-Protein des Waldmurmeltiers (WHc) produziert werden können. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass der gewählte Ansatz zur Generierung einer neuen Prototypvakzine eine wirksame anti-HVRI kreuz-reaktive Immunantwort hervorruft, sowie zu einer Induktion von kreuz-neutralisierenden HVRI-spezifischen Antikörpern in der Lage ist. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse stellen somit eine neue Impfstrategie einer Prototypvakzie gegen Hepatitis C Infektionen im Menschen dar.

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Lange, Milena: A new vaccine strategy for HCV. Presentation of Hepatitis C Virus hypervariable region 1 on HBV capsid-like particles. 2012.

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