Vaccines and Vaccination

Transkript

1 Vaccines and Vaccination Per Höllsberg Uffe B. Skov Sørensen Dias 1

2 I Introduction Contents II Diseases prevented by the Danish childhood vaccination program II Vaccinology Active components in vaccines How vaccines work immune responses to vaccines III Other vaccines IV Questions Dias 2

3 Introduction Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 3

4 Reasons for vaccination of healthy persons Interest of the society decrease morbidity prevent sequelae elimination of the disease (e.g. smallpox) Interest of the individual risk groups (the elderly, immune compromized) travelers visiting endemic areas Dias 4

5 Vaccination for at undgå smitteoverførsel Rubella (røde hunde) Størst risiko tidligt i svangerskabet (før 20. uge) Medfødte defekter: Grå stær (katarakt) Mental retardering Døvhed Øget mortalitet in utero og i det første leveår Dias 5

6 Mortality rate per per year USA Dias 6

7 Eksempel på en vaccines effektivitet Rapporterede tilfælde Difteri i Danmark Vaccination mod difteri Indført i 1943 År Dias 7

8 Campains for vaccination Dias 8

9 Vaccination mod difteri 1941 Statens Serum Institut, H.C. Andersens Boulevard Dias 9

10 Vaccinationers betydning for sygelighed i USA Vaccination Før Efter Reduktion Kopper % Difteri % Kighoste ,7% Tetanus ,4% Polio % Mæslinger ,9% Fåresyge ,6% Rubella ,3% Hib ,4% Dias 10

11 Rapporterede tilfælde Betydningen af vaccinedækning Difteri i Sovjet / tidligere Sovjet Difteri i Sovjet/ tidligere Sovjet 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10, Årstal Dias 11

12 Passive immunization Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 12

13 Vaccination vs. passiv immunisering Smitte med rabies kan bl.a. overføres ved hundebid! Dias 13

14 Passiv immunisering ved rabies smitte Ved smitte med rabies virus vil der efter en primær opformering i musklerne ske en infektion af neuroner, hvor virus er gemt for immunsystemet Et beskyttende respons efter vaccination opnås først efter 1-2 uger Man vil derfor hurtigst muligt indgive antirabies antistoffer. Dvs. en passiv immunisering Dias 14

15 Immunglobuliner / antistoffer Niveau af immunglobulin: Normalserum 8 17 mg / ml Beskyttende antistoffer 0,1 1 µg / ml Passiv immunisering 300 µg -globulin (IgG) til injektion: mg Dias 15

16 Administration of vaccines Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 16

17 Administrationsform og isotype af antistoffer Injektionsvacciner (intramuskulær, subkutan) IgG antistoffer, inaktiverede vacciner (Cellulært medieret immunitet, svækkede vacciner) Perorale vacciner S-IgA og IgG antistoffer Perorale vacciner inducerer bl.a. TGF-b i lymfoidt væv i mukosa med isotype skift til IgA S-IgA hensigtsmæssig ved infektioner via mukosa associeret væv Eksempler: Rejsediarre vaccine, Tyfus vaccine Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 17

18 Immunogenicitet og administration Intramuskulær injektion på børn og voksne Børn Voksne Låret (M. vastus lateralis) Skulderen (M. deltoideus) Dias 18

19 Different kinds of vaccines Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 19

20 Serverity of symptoms Outcome following an infection Bacterial meningitis Measels Tetanus Polio Influenza Tuberkulosis Parasitic infections Rubellla Toxoplasmose Asymptomatic Time scale Dias 20

21 Serverity of symptoms Outcome following poliovirus infection Poliomyelitis (0,1-2%) Meningitis (1-2%) Abortiv poliomyelitis (5%) Time scale Asymptomatic infection (90-95%) Dias 21

22 Sygdomsforløb og vaccination Klassiske vacciner skal simulere infektionen og aktivt stimulere immunresponset - Cellulært medieret immunitet - Antistof medieret immunitet Sygdomme, som kan bekæmpes naturligt, vil derfor være gode kandidater for en vaccine Fremstilling af beskyttende vacciner mod kroniske sygdomme giver derimod store udfordringer Dias 22

23 Different kinds of vaccines Inactivated Bacterial antigens Virus-antigens Humoral immune response live, attenuated attenuated virus attenuated bacteria Cell-mediated and humoral immune respone Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 23

24 The Danish Childhood vaccination program Virus-vaccines: Polio (IPV) Measels (MFR) Mumps Rubella Cervical cancer (HPV) 5 Bacterial vaccines: Diptheria (Di) Tetanus (stivkrampe) (Te) Whooping cough (kighoste) (Ki) Hib infection (Hib) Pneumococcal disease (PCV13) Mainly humoral immune response Mainly cell-mediated immune response Dias 24

25 The Danish Childhood vaccination program 2010 Vaccination schedule 3 mth.: 1. Di-Te-Ki-Pol- Hib/ PCV13 a) 5 mth.: 2. Di-Te-Ki-Pol- Hib/ PCV13 12 mth.: 3. Di-Te-Ki-Pol- Hib/ PCV13 15 mth.: 1. MFR 4 years: 2. MFR 5 years: 4. Di-Te-Ki-Pol b) 12 years: 1., 2. og 3. HPV ( ) evt. MFR a) PVC13 fra 19. april 2010, tidligere blev anvendt PVC7 b) Revaccination Di-Te, every 10th. year Dias 25

26 Visse sygdomme bekæmpes via det cellulære immunsystem: MFR vaccine Ex. på komplikationer ved naturlig sygdom M = Mæslinger Hjernebetændelse (encefalitis) F = Fåresyge Sterilitet R = Røde hunde Fosterskader Dias 26

27 CD8+ T celle cytotoxisk drab af virusinficeret celle Lytiske granula T celle Virusinficeret celle 1 min 4 min 40 min Induktion af apoptosis Dias 27

28 Cellulær medieret immunitet CD4+ T celle TH1, fremmer cellulære effektormekanismer yder bl.a. hjælp til uddannelsen af CD8+ T celler TH2, yder hjælp til differentiering og proliferation af B celler er dermed væsentlig for antistofproduktionen CD8+ T celle Ofte cytotoksiske effektorceller, der bekæmper intracellulære infektioner Dias 28

29 Sygdomme forårsaget af toksiner Difteri, stivkrampe og kighoste Akut bakteriel halsbetændelse forårsaget af toksin fra Corynebacterium diphteriae Akut lammelse forårsaget af toksin fra Clostridium tetani Akut infektion i respirationsvejene forårsaget af toksiner fra Bordetella pertussis Dias 29

30 Bakterielle toksiner og sygdom Værtsceller: Receptorer Eksempler: Difteri Tetanus (stivkrampe) Kighoste Botulisme (pølseforgiftning) Rejsediare og kolera Skarlagensfeber bakterie Toksin B A Dias 30

31 Stivkrampe (tetanus) Udgår ofte fra infektion i et forurenet sår 'Opisthotonus Charles Bell 1809 Akutte lammelser forårsaget af toksin fra Clostridium tetani Toksin føres rundt i kroppen og påvirker de motoriske nerver Kramper i tygge- og i rygmuskler m.v. Dias 31

32 Tetanus-toksins virkningsmekanisme 2 Et A-B toksin har en aktiv del og en bindende del Tetanus toksinet påvirker nerve/muskel transmissionen, hvilket fører til konstant muskelstimulation Dias 32

33 Tetanus-toksins virkningsmekanisme 2 Dias 33

34 Tetanus-toksins virkningsmekanisme 3 Lalli, G. et al Trends In Microbiology Vol. 11, No. 9, p 431 Dias 34

35 Tetanus-toksins virkningsmekanisme 4 Dias 35

36 Toksoid vacciner Det aktive toksin inaktiveres kemisk og omdannes herved til et toksoid Toksisk aktivitet reduceres kraftigt Antigene egenskaber bevares Toksoid-vacciner inducerer neutraliserende antistoffer efter injektion bakterie Toksin B A Dias 36

37 De fleste antistof-inducerende vacciner kræver T B celle hjælp B celle T celle Protein-antigen IL-4 IL-5 IL-6 m.fl. Dias 37

38 Antistofrespons efter vaccination Antistof niveau Sekundær inj. Primær inj. T-celle afh. Tid Dias 38

39 Ny vaccine mod kroniske virusinfektioner Human papilloma virus (HPV) og livmoderhalskræft Vaccinen er baseret på induktion af neutraliserende antistoffer mod virus L1 kapsid proteinet L1 kapsidet er type-specifikt (dvs. epitopen er forskellig for forskellige typer af HPV) Virus L1 kapsid protein danner spontant viruslignende partikler (VLP), der gør det mere immunogent Dias 39

40 Neutralisation af virus Influenzavirus Vaccine mod influenzavirus er baseret på dannelse af neutraliserende antistoffer mod HA og NA proteinerne. HA binder til sialsyreholdige grupper på epitelcellerne. Segmenteret RNA Humane influenzavirus binder til sialsyre bundet til galactose i a2,6 konformation, hvorimod fugleinfluenza binder til a2,3 konformationen. Dias 40

41 Immunresponset skal neutralisere funktionen af H og N proteiner H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 Influenzavirus, der inficerer mennesker, har enten H1, H2 eller H3, samt N1 eller N2 Fx H3N2 eller H1N1 De øvrige H og N proteiner findes blandt fugle (ænder, kyllinger) og andre dyr (heste, svin, sæler, hvaler etc.) N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 Dias 41

42 Forekomst af a2,3 og a2,6 receptorer i luftvejene hos mennesker Shinya et al. Nature 440: 435 (2006) Dias 42

43 Neutraliserende antistoffer mod virus kan blokere epitopen direkte eller indirekte X 270,000 Kløft: Receptorbindende domæne 30 nm Kapsidproteiner: Strukturen bestemmer typen af poliovirus (3 typer). Kapsidproteinet har epitopen for de neutraliserende antistoffer Dias 43

44 Kapselbærende bakterier Kapselpolysakkarider: Kapsler hos bakterier består med få undtagelser af polysakkarider, der er hydrofile og ofte negativt ladede. Dias 44

45 Kapselbærende bakterier Kapselpolysakkarider: Kapsler hos bakterier består med få undtagelser af polysakkarider, der er hydrofile og ofte negativt ladede. Eksempler: Pneumokokker Meningokokker Haemophilus influenzae og mange andre Dias 45

46 Bakteriestruktur Pneumokokker (Streptococcus pneumoniae) Kapselløs ( rough ) Kapselbærende 1µm Cellevæg Dias 46

47 Bakterielle kapselpolysakkarider Polysakkarid med repeterende struktur: Repeterende enhed ribose P Negativt ladet fosfatgrupper 6)-D-Glcp-(1 3)-D-GalpNAc-(1 3)-D-GalpNAc-(1 1)-ribitol-5-P-(O Hydrofile monosakkarider

48 Antistoffer og opsonisering Agglutinerende antistoffer bakterie Dias 48

49 Antistoffer og opsonisering Opsoniserende antistoffer fagocyt Fc-receptor bakterie Dias 49

50 Antistoffer og opsonisering Komplement aktiverende antistoffer fagocyt komplementreceptor Fc-receptor bakterie Dias 50

51 Antistof respons efter vaccination Antistof niveau Primær Sekundær T-celle afhængig (B2 celler) T-celle uafhængig (B1 celler) Tid Dias 51

52 The immune response to polysaccharides Dias 52

53 Antistoffer mod kulhydrater og proteiner Egenskab B1 celler B2 celler N additioner i VDJ Få Mange Kulhydrat V-region repertoire Begrænset Høj diversitet Isotyper IgM >> IgG IgG > IgM B1 celle Repons mod kulhydrat Respons mod protein Kræver T celle hjælp Niveau af somatisk hypermutation Ja Måske Nej Lavt eller ingen Måske Ja Ja Højt Hukommelse Næsten ingen Ja Protein B2 celle T celle T celle hjælp Dias 53

54 Antistoffer mod kulhydrater og proteiner Egenskab B1 celler B2 celler N additioner i VDJ Få Mange Kulhydrat V-region repertoire Begrænset Høj diversitet Isotyper IgM >> IgG IgG > IgM B1 celle Repons mod kulhydrat Respons mod protein Kræver T celle hjælp Niveau af somatisk hypermutation Ja Måske Nej Lavt eller ingen Måske Ja Ja Højt Hukommelse Næsten ingen Ja Protein B2 celle T celle T celle hjælp Dias 54

55 Early-life limitations of B-cell responses Dias 55

56 Haemophilus influenzae type b (Hib) Sygdomme: Meningitis (hjernehindebetændelse) Epiglotitis (strubelågsbetændelse) Pneumoni (lungebetændelse) Sepsis (blodforgiftning) Dias 56

57 % Hib-infektioner før indførelsen af vaccination Aldersspecifik incidens af invasive Hib-sygdomme % fordeling på aldersgrupper ½ ½ ½ 1½ - 2 aldersgruppe Før vaccination blev indført i 1993 forekom 85% af Hib-tilfældene hos børn under 5 år Dias 57

58 Konjugatvaccine, Hib-vaccine Polyribitol-fosfat (PRP) Tetanus toxoid De T-celle uafhængige PRP er kemisk sammen-koblet med det T-celle afhængige tetanus toxoid Dias 58

59 Konjugater Reaktive grupper: Aminogrupper: -NH 2 Carboxyl: -COOH Thiol: -SH Aldehyd: -C Dias 59

60 Kulhydrat-aktivering og kobling O= O= O CH 2 OH OH O OH O + Natriumperiodat O H-C CH 2 OH O C-H O O CH 2 OH OH OH OH O= C-H Aldehydgrupper

61 O= O= Kulhydrat-aktivering og kobling CH 2 OH CH 2 OH O O + H 2 N O O O H-C C-H O HC CH Schiff s base CH 2 OH Reduktion O O O 2HC CH 2 Dias 61

62 Optag af oligosakkarid med protein carrier B celle receptor specifikt for dette oligosakkarid Oligosakkarid + protein Dias 62

63 Oligosakkarid-specifikke B celler processerer tetanus toxoid Oligosakkarid-specifik B-celle Tetanus toxoid-specifik B-celle Dias 63

64 Konjugat vaccine, T B celle hjælp T celle B celle Dias 64

65 Konjugat vaccine T B celle hjælp: Th2 cytokiner B celle T celle IL-4 IL-5 IL-6 m.fl. Dias 65

66 Konjugat vaccine Proliferation, differentiering og antistof-produktion B celle T celle B celle Dias 66

67 Konjugat vaccine Antistoffer specifikke for oligosakkaridet B celle T celle Memory celle B celle Dias 67

68 The immune response to conjugate vaccines Dias 68

69 Årsopgørelser af purulent meningitis Årsag I alt (gennemsnit per år) N. meningitidis A < 1 <1 B C S. pneumoniae H. influenzae type b 66 4 Dias 69

70 Konjugatvaccine PCV13 13 serotyper (4, 6B, 9V, 14, 18C, 19F, 23F m.fl.) af 91 kendte CRM197 De T-celle uafhængige kapselpolysakkarider er kemisk sammen-koblet med det T-celle afhængige difteri-toxoid (CRM197 ) Dias 70

71 Birthe Skaarup: Uforståeligt, at det skal tage så lang tid. DF: Giv meningitis-vaccine nu Pneumokokker 06. apr Politik Opdat.: 06. apr Dansk Folkeparti vil presse på over for regeringen for at få indført den allerede godkendte meningitis-vaccine, som kan forhindre dødsfald ved nogle former for meningitis. Meningokokker Det sker, efter at fire unge fra hovedstadsområdet i løbet af de seneste tre uger har mistet livet på grund af meningitis. De fire nye dødsfald af meningitis har igen sat fokus på den langsommelige behandling af meningitis-vaccinen. - Vaccinationsudvalget har allerede godkendt vaccinen, og præparatet er derfor på vej til danskerne. Men det er uforståeligt, at det skal tage så lang tid, siger Dansk Folkepartis sundhedsordfører Birthe Skaarup til Jyllands-Posten Dias 71

72 Pneumococcal 7 valent conjugate vaccine: PCV7 PCV7 er i dag erstattet med PCV13 Dias 72

73 Incidens af pneumokoksygdom EPI-nyt uge 7/ Dias 73

74 Børnevaccinationsprogrammet 3 mdr: Di-Te-Ki-Pol-Hib/ PCV mdr: Di-Te-Ki-Pol-Hib/ PCV mdr: Di-Te-Ki-Pol-Hib/ PCV år: Di-Te-Ki-Pol år: HPV 1., 2. og booster Antistof niveau 1. booster Primær Tid Dias 74

75 Tilslutning til børnevaccinationsprogrammet Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 75

76 Tilslutning til MFR-vaccination EPI-nyt uge 17/ Dias 76

77 February 8, The Sunday Times MMR doctor Andrew Wakefield fixed data on autism February 2, 2010 Vaccine-Autism Study Is Retracted A major British medical journal on Tuesday retracted a flawed study* linking the measles, mumps and rubella vaccine to autism and bowel disease. * Wakefield et al. Lancet, The Lancet, Volume 351, Issue 9103, Pages Abejdet er citeret 646 gange i videnskabelige artikler

78 Additives in vaccines Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet Dias 78

79 Immunogenicitet Faktorer der påvirker proteiners immunogenicitet Høj MW Lav MW (<2500) Intermediær dosis Høj eller lav dosis Subkutan Intravenøs Partikulær, denatureret Opløselig, nativ Få ligheder med self proteiner Lighed med self proteiner Langsom frigivelse af antigen Hurtig frigivelse af antigen Bakterielle komponenter Ingen bakterielle komponenter Gode MHC epitoper Dårlige MHC epitoper Dias 79

80 Adjuvans 1 Adjuvans er en særskilt komponent, der forbedrer immunresponset mod et antigen De fleste adjuvanser giver bivirkninger og kan ved gentagen brug udløse allergiske reaktioner Dias 80

81 Adjuvans 2 De fleste proteiner er dårlige immunogener, hvis de indgives alene Protein-antigener giver et bedre immunrespons, hvis de indgives sammen med adjuvans Adjuvans forbedrer ikke immunresponset mod et rent (ikke konjugeret) polysakkarid Dias 81

82 Adjuvans 3 Adjuvans virker bl.a ved at: Skabe et vaccinedepot med langsom frigørelse af antigen Akkumulere APC* på injektionsstedet Øge antigenoptagelsen i APC* Inducere co-stimulerende faktorer på APC* Øge stimuleringen af APC* og frigørelse af cytokiner, der aktiverer T-celler * APC = antigen-præsenterende celler Dias 82

83 Adjuvans 3 I vacciner til mennesker kan anvendes: aluminiumhydroxid eller aluminiumphosphat MPL (mono-phosphoryl-lipid A) AS03 (adjuvant system 3) MF59 Dias 83

84 Adjuvans 4 Dias 84

85 Influenzavaccine med adjuvans (AS3) * * Committee for Medicinal Products for Human Use (CHMP) G. Leroux-Roels. Expert Opin Biol Ther Aug;9(8): Dias 85

86 Konserveringsmiddel i vacciner Nogle få vacciner indeholder et konserveringsmiddel Det mest anvendte stof er Thiomersal, der er en kviksølvholdig organisk forbindelse En dosis indeholder 5 µg konserveringsmiddel En ekspertgruppe under FN s fødemiddelmyndighed (FAO) og WHO vurderede i 2003, at et acceptabelt ugentligt indtag af kviksølv (methylkviksølv) svarer til 1,6 mikrogram/kg kropsvægt. Dette niveau vurderes at være sikkert selv for de mest sårbare personer, dvs. gravide og fostre. Dias 86

87 Forebyggede komplikationer ved vaccination mod mæslinger( ) Komplikationer ved: sygdom Vaccination (mæslinger) (MFR) Komplikation antal men antal men Bakterielle infektioner Feberkramper Hjernebetændelse Dødsfald Dias 87

88 Mæslingeinfektioner MFR vaccination blev indført i DK i 1987 I perioden forekom i alt 870 tilfælde af mæslinger i Danmark Heraf var: 75% uvaccinerede 19% var vaccinerede 6% med ukendt status 17% af patienterne var indlagt 14% af patienter under 12 år var indlagt 38% af patienter over 12 år var indlagt Dias 88

89 Fremtidige vacciner Alvorlige sygdomme uden effektiv vaccine Sygdom Årlig dødelighed Årlig incidens Malaria ~3 millioner ~200 millioner Schistosomiasis ~ ~250 millioner Rundorme ~0.2 millioner ~1.500 millioner Tuberkulose ~2 millioner ~8 millioner Diarre sygdomme ~2 millioner ~4.100 millioner Luftvejssygdomme ~4 millioner ~360 millioner HIV/AIDS ~3 millioner ~2 millioner Mæslinger* ~1 millioner ~44 millioner *Der er en effektiv vaccine, men den er varmesensitiv. Dette gør den svær at bruge i troperne, hvor sygdommen er mest udbredt. Dias 89

90 Fremtidige vacciner Nikotinbaseret vaccine Nikotin-hapten aktiveret med N-hydroxy-succinimide Dias 90

91 Fremtidige vacciner Reverse immunogenetics a1 domæne Peptid a2 domæne Strukturen af det peptidbindende domæne i MHC klasse I giver mulighed for at forudsige potentielle MHCbindende sekvenser i proteiner Dette benyttes til at prædiktere potentielle kandidat-epitoper til vacciner, der skal stimulere det cellulære immunrespons Dias 91

92 Fremtidige vacciner Reverse immunogenetics Computer algoritmer kan identificere sekvenser med mulig MHC-I anker aminosyrer. Endvidere kan der scores for andre sekundære positioner i peptidet. Computerprogrammet kan efterfølgende analysere sekvenserne for potentielle proteasom kløvningssteder. Potentielt HLA-A2-bindende peptid Proteinsekvens L V Prædikterede peptider testes efterfølgende for MHC-I binding. Polyepitoper kan syntetiseres, hvor en række immundominante epitoper udtrykkes efter hinanden i et polypeptid. Dias 92

93 Fremtidige vacciner DNA-baserede vacciner Subunit vacciner Rekombinant vacciner Kombinationsvacciner Konjugatvacciner Orale vacciner Vacciner mod allergi Vacciner mod cancer Vacciner mod rygning Vacciner mod TB Vacciner mod malaria Vacciner mod HIV/AIDS Dias 93