Polysaccharid-CRM197 Konjugatvakzine Schützen vor C. Difficile Infektion

Abstract

Background & Objectives: The expansion of hypervirulent strains along with an increased antibiotic resistance has led to a sharp rise in the incidence, morbidity and mortality of Clostridioides difficile (C. difficile) infections (CDI) worldwide over the past20 years. In contrast to conventional antibiotic therapies, which pose a higher risk of new infections and CDI recurrences due to changes in the composition of the intestinal microbiota, vaccinations promise treatment for CDIwithout disrupting the microbiome.

Since toxoid vaccines in clinical trials only neutralize the disease-mediating, inducibletoxins of C. difficile without restricting its colonization in the intestine, we have identified stably expressed polysaccharide structures, PS-I, -II and -III, in the cell wall of C. difficile as potential vaccine candidate antigens whose neutralization could also prevent colonization and thus contain the spread of the pathogen.

Design & Methods: Sera and stool samples of CDI patients and controls were tested for antibodies using PS-specific ELISAs. PS I - III were conjugated with the carrier protein CRM₁₉₇ and vaccination schemes for all three conjugate vaccines were developed. In addition, adoptive transfer studies with sera from immunized mice were performed and monoclonal antibodies (MAB) against PS antigens were applied. The efficacy of the vaccines was assessed by histopathological examination of the colon and by the detection of C. difficile in stool using conventional bacterial plating assays and qPCR. The influence of the vaccines on the microbiome was determined by 16S rRNAsequencing.

Observations & Results: In sera and stool samples of CDI patients antibodies against PS I-III could be detected. The titers of systemic and mucosal anti-PS antibodies correlated in part inversely with the severity of CDI. After establishing a murine C. difficile infection model, PS conjugates did not only attenuate CDI-mediated colitis, but also inhibited colonization and prevented the spread of the pathogen without changing the composition of the microbiome. Comparably to PS conjugates, adoptive serum transfer and MAB 2c5 anti-PS antibodies did not only substantially protect against colitis, but also significantly limited intestinal colonization with C. difficile, unlike the toxoid vaccine.

Conclusions: PS-based conjugate vaccines are a promising alternative to toxoid vaccines. Clinical trials are required to establish an effective protection against CDIand to prove the limitation of bacterial carriers observed in preclinical models.

Alternate abstract:

Hintergrund & Ziele: Die zunehmende Verbreitung hypervirulenter Stämme und gesteigerte Antibiotikaresistenzen führten in den letzten 20 Jahren zu einem sprunghaften Anstieg der Inzidenz, Morbidität und Mortalität an Clostridioides difficile (C. difficile) Infektionen (CDI) weltweit. Anders als herkömmliche Antibiotikatherapien, die aufgrund von Verschiebungen in der Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota das Risiko von Neuinfektionen und CDI Rezidiven erhöhen, versprechen Vakzine eine Behandlung der CDIohne das Mikrobiom zu schädigen.

Da die aktuell sich in klinischen Studien befindenden Toxoid-Vakzine nur die Krankheits-vermittelnden, induzierbaren Toxine von C. difficile neutralisieren, ohne dessen Ansiedelung im Darm zu beschränken, haben wir die stabil exprimierten Polysacharid-Strukturen PS-I, -II und -III in der Zellwand von C. difficileals Impfantigene identifiziert, deren Neutralisation auch die Kolonisation und somit die Ausbreitung des Erregers verhindern könnte.

Methoden: Seren und Stuhlproben von CDI Patienten und Kontrollen wurden auf Antikörper mittels PS-spezifischen ELISAs untersucht. PS I - III wurden mit dem Trägerprotein CRM₁₉₇ konjugiert und ein Impfschema für alle drei Konjugatvakzine entwickelt. Zudem wurden Transferstudien mit Seren von immunisierten Mäusen durchgeführt und monoklonale Antikörper (MAB) gegen PS Antigene appliziert. Die Wirksamkeit der Vakzine wurde durch eine histopathologische Untersuchung des Kolons sowie durchden Nachweis von C. difficile im Stuhl mittels konventioneller Kultur und qPCR analysiert. Der Einfluss der Vakzine auf das Mikrobiom wurde durch 16S rRNA-Sequenzierungen bestimmt.

Ergebnisse & Beobachtungen: In Seren und Stuhlproben von CDI-Patienten konnten Antikörper gegen PS I-III nachgewiesen werden. Die Höhe der Titer der systemisch und mukosal nachgewiesenen anti-PS Antikörper korrelierte dabei zum Teil invers mit der Schwere des CDI Krankheitsverlaufs. Nach Etablierung eines C. difficile Infektionsmodells in der Maus schwächten die PS-Konjugate nicht nur eine CDI-vermittelte Kolitis ab, sondern dämmten auch Kolonisation und Ausbreitung des Erregers ein ohne die Zusammensetzung des Mikrobioms zu verändern. Ebenso wie die PS-Konjugate schützten der Serumtransfer und monoklonale MAB 2c5 anti-PS Antikörper nicht nur substantiell vor einer Kolitis, sondern begrenzten, anders als der Toxoidimpfstoff, die Kolonisation des Darms mit C. difficilesignifikant.

Schlussfolgerungen: PS-basierte Konjugatvakzine stellen eine vielversprechende Alternative zu den Toxoidimpfstoffen dar. Klinische Studien müssen nun den effektiven Schutz vor CDI als auch die Begrenzung des C. difficileTrägertums aus denpräklinischen Modellen belegen.