Opsono-Adherence Assay om functionele antilichamen te evalueren in vaccinontwikkeling tegen Bacillus anthracis en andere ingekapselde pathogenen
Summary
De opsono-therapietrouwtest is een alternatieve methode voor de opsono-fagocytische moordtest om de opsonische functies van antilichamen in de ontwikkeling van vaccins te evalueren.
Abstract
De opsono-therapietrouwtest is een functionele test die de aanhechting van bacteriële pathogenen aan professionele fagocyten opsomt. Omdat therapietrouw noodzakelijk is voor fagocytose en doden, is de test een alternatieve methode voor opsono-fagocytische moordtests. Een voordeel van de opsono-adherence-test is de optie om geïnactiveerde pathogenen en zoogdiercellijnen te gebruiken, waardoor standaardisatie in meerdere experimenten mogelijk is. Het gebruik van een geïnactiveerde ziekteverwekker in de test vergemakkelijkt ook het werken met bioveiligheidsniveau 3 infectieuze agentia en andere virulente pathogenen. In ons werk werd de opsono-therapietrouwtest gebruikt om het functionele vermogen van antilichamen te beoordelen, van sera van dieren die zijn geïmmuniseerd met een vaccin op basis van miltvuurcapsules, om hechting van vaste Bacillus-antracis aan een muismacrofaagcellijn, RAW 264.7, te induceren. Geautomatiseerde fluorescentiemicroscopie werd gebruikt om beelden vast te leggen van bacillen die zich aan macrofagen hechten. Verhoogde therapietrouw was gecorreleerd met de aanwezigheid van anti-capsule antilichamen in het serum. Niet-menselijke primaten die hoge serum anti-capsule antilichaamconcentraties vertoonden, werden beschermd tegen miltvuuruitdaging. Zo kan de opsono-therapietrouwtest worden gebruikt om de biologische functies van antigeenspecifieke antilichamen in sera op te helderen, om de werkzaamheid van vaccinkandidaten en andere therapeutische middelen te evalueren en om te dienen als een mogelijke correlaat van immuniteit.
Introduction
Herkenning, therapietrouw, internalisering en afbraak van een ziekteverwekker zijn integraal onderdeel van fagocytose1, een saillant pad in de gastheer aangeboren immuunrespons die voor het eerst werd beschreven door Ilya Metchnikoff in 18832,3. Fagocytische leukocyten, evenals andere cellen van het immuunsysteem, zijn zeer discriminerend in hun selectie van doelen; zij zijn in staat onderscheid te maken tussen “infectieuze niet-zelf” en “niet-infectieuze zelf” door middel van pathogene geassocieerde moleculaire patronen door hun repertoire van patroonherkenningsreceptoren (PRR’s)4,5. Gastheerherkenning van een ziekteverwekker kan ook optreden met de binding van gastheeropsonines, zoals complement en antilichamen6. Dit proces, opsonisatie genaamd, bedekt de ziekteverwekker met deze moleculen en verbetert de internalisatie bij binding aan opsonische receptoren (bijv. complement- en Fc-receptoren) op fagocytische cellen6. Om een ziekteverwekker zich aan een fagocyten te laten hechten, is collectieve binding van meerdere receptoren met hun cognate liganden noodzakelijk. Alleen dan kan aanhankelijkheid cascades in de hostcel activeren en ondersteunen om internalisatie te starten6.
Vanwege het belang van fagocytose bij het opruimen van pathogenen en het voorkomen van infectie, hebben extracellulaire pathogenen tal van manieren ontwikkeld om dit proces te ondermijnen om hun overleving te verlengen. Een strategie van belang is de productie van een anionische polymere (bijv. polysacharide of polyaminozuur) capsule die anti-fagocytisch is vanwege zijn lading, slecht immunogeen is en moleculen op de bacteriële envelop afschermt van PRR ‘s6,7. Pathogenen zoals Cryptococcus neoformans en Streptococcus pneumoniae hebben capsules die zijn samengesteld uit saccharidepolymeren, terwijl Staphylococcus epidermidis en sommige Bacillus-soorten poly-ɣ-glutaminezuur (PGGA)7,8produceren . Maar andere ziekteverwekkers produceren capsules die lijken op het niet-infectieuze zelf. Streptococcus pyogenes en een pathogene stam van B. cereus hebben bijvoorbeeld een hyaluronzuurcapsule die niet alleen anti-fagocytisch is, maar die ook niet als vreemd kan worden herkend door het immuunsysteem9,10.
Vervoeging van capsule naar dragereiwitten zet ze om van arme, T-onafhankelijke antigenen in zeer immunogene T-afhankelijke antigenen die hoge serumanticapsuleantilichaamtiters kunnen induceren11,12. Deze strategie wordt gebruikt voor gelicentieerde vaccins tegen S. pneumoniae, Haemophilus influenzaeen Neisseria meningitides11. De opsonische activiteiten van anticapsuleantilichamen zijn gewoonlijk geëvalueerd door opsono-fagocytische moordtests (OPKA)13,14,15,16. Deze tests testen of functionele antilichamen fagocytose en doden kunnen veroorzaken14. Het gebruik van OPKA met infectieuze pathogenen, zoals Tier 1 Biological Select Agents and Toxins (BSAT), waaronder B. anthracis17,is echter gevaarlijk en brengt veiligheidsrisico’s met zich mee; deze tests vereisen een uitgebreide behandeling van een selecte agent. Het hanteren van bepaalde agenten kan alleen worden uitgevoerd in beperkte bioveiligheidsniveau 3 (BSL-3) laboratoria; het werk in deze gebieden vereist langdurige operationele procedures vanwege de vele veiligheidsmaatregelen die moeten worden gevolgd. BSL-3 laboratoria zijn ook meestal niet uitgerust met de gespecialiseerde apparatuur die wordt gebruikt voor OPKA-werk, zoals microscopen en cytometers. Zo ontwikkelden we een alternatieve test op basis van het gebruik van geïnactiveerde bacteriën18,19. We noemen dit een opsono-adherence assay (OAA) die niet afhankelijk is van internalisatie en doden als testoutputs; in plaats daarvan wordt therapietrouw van geïnactiveerde geïnactiveerde pathogenen gebruikt als een index van fagocytose. Mechanistisch gezien is OAA een geschikt substituut omdat therapietrouw a priori optreedt en nauw verweven is met internalisatie en intracellulair doden. Vanuit bioveiligheidsperspectief heeft OAA de voorkeur omdat het een minimale behandeling van een infectieus agens vereist, experimenteel van kortere duur is dan OPKA en kan worden uitgevoerd in BSL-2-laboratoria nadat een voorraad van de geïnactiveerde ziekteverwekker is geproduceerd en overgedragen.
We demonstreren het gebruik van OAA om de opsonische functie van anticapsuleantilichamen te onderzoeken die worden aangetroffen in sera van niet-menselijke primaten (NHP’s) gevaccineerd met een capsuleconjugaat [d.w.z. PGGA van B. anthracis geconjugeerd aan het buitenste membraaneiwitcomplex (OMPC) van Neisseria meningitides]20. Serum opsonized bacillen werden geïncubeerd met een aanhankelijkheid muis macrofaag cellijn, RAW 264.7. Na fixatie werden de celmonolaag en aanhankelijke bacillen in beeld gesteld door fluorescentiemicroscopie. Bacteriële hechting nam toe toen de bacillen werden geïncubeerd met serum van NHP’s gevaccineerd met de capsuleconjugaat in vergelijking met controleserum20. Therapietrouw gecorreleerd met survival of the anthrax challenge20,21. Zo kenmerkte het gebruik van OAA de functie van anticapsuleantilichamen en vergemakkelijkte het testen van onze vaccinkandidaat aanzienlijk.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het is aangetoond dat vaccins op basis van capsules effectief zijn tegen talrijke bacteriële pathogenen, en velen zijn gelicentieerd voor gebruik bij mensen25,26,27. Deze vaccins werken door antilichamen te genereren die gericht zijn op de capsule en veel van deze studies gebruiken de OPKA om de opsono-fagocytische functies van de antilichamen13,14,<sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
J. Chua, D. Chabot en A. Friedlander ontwierpen de procedures beschreven in het manuscript. J. Chua en T. Putmon-Taylor voerden de experimenten uit. D. Chabot voerde data-analyse uit. J. Chua schreef het manuscript.
De auteurs bedanken Kyle J. Fitts voor uitstekende technische assistentie.
Het werk werd ondersteund door de Defense Threat Reduction Agency grant CBM. VAXBT.03.10.RD.015, plannummer 921175.
Meningen, interpretaties, conclusies en aanbevelingen zijn die van de auteurs en worden niet noodzakelijkerwijs onderschreven door het Amerikaanse leger. De inhoud van deze publicatie weerspiegelt niet noodzakelijkerwijs de standpunten of het beleid van het Ministerie van Defensie, noch impliceert het vermelden van handelsnamen, commerciële producten of organisaties goedkeuring door de Amerikaanse overheid.
Materials
| 0.20 µm syringe filter (25mm, regenerated cellulose) | Corning, Corning, NY | 431222 | |
| 10 mL syringe (Luer-Lok tip) | BD, Franklin Lakes, NJ | 302995 | |
| 15µ 96 well black plates (plate #1 for imaging) | In Vitro Scientific, Sunnyvale, CA | P96-1-N | |
| 16% paraformaldehyde | Electron Microscopy Science, Hatfield, PA | 15710 | |
| 75 cm sq. tissue culture treated flask | Corning, Corning, NY | 430641 | |
| Agar (powder) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | A1296 | |
| Baby Rabbit Complement | Cedarlane Labs, Burlington, NC | CL3441 | |
| Bacto Yeast Extract | BD, Sparks, MD | 288620 | |
| BBL Brain Heart Infusion (BHI) | BD, Sparks, MD | 211059 | |
| Blood Agar (TSA with Sheep Blood) plates | Remel, Lenexa, KS | R01198 | |
| Cell scraper | Sarstedt, Newton, NC | 83.183 | |
| Costar 96 well cell culture plates (plates #2 & 3 for dilutions) | Corning, Corning, NY | 3596 | |
| Cover glass | Electron Microscopy Science, Hatfield, PA | 72200-10 | |
| Difco Nutrient Broth | BD, Sparks, MD | 234000 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM), high glucose | Gibco, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | 11965-092 | contains 4500 mg/L glucose, 4 mM L-glutamine, Phenol Red |
| EVOS FL Auto Cell Imaging System (fluorescence microscope) | Life Technologies, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | AMAFD1000 | |
| Fetal Bovine Serum | Hyclone, GE Healthcare Life Sciences, South Logan, UT | SH30071.03 | not gamma irradiated, not heat inactivated |
| Fluorescein isothiocyanate | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | F143 | |
| HCS Cell Mask Orange Cell Stain | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | H32713 | |
| hemocytometer (Improved Neubauer) | Hausser Scientific, Horsham, PA | 3900 | |
| India Ink solution | BD, Sparks, MD | 261194 | |
| L- glutamine (200 mM) | Gibco, Thermo Fisher Scientific, Waltham MA | 25030081 | supplement medium with additional 2mM L-glutamine |
| Nikon Eclipse TE2000-U (inverted compound microscope) | Nikon Instruments, Melville, NY | TE2000 | |
| PBS without Calcium or Magnesium | Lonza, Walkersville, MD | 17-516F | |
| Penicillin-Streptomycin Solution, 100x | Hyclone, GE Healthcare Life Sciences, South Logan, UT | SV30010 | |
| petri dishes (100 x 15 mm) | Falcon, Corning, Durham, NC | 351029 | for agar plates |
| RAW 264.7 macrophage cell line (Tib47) | ATCC, Manassas, VA | ATCC TIB-71 | |
| Slides | VWR, Radnor, PA | 16004-422 | |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | S5761 | |
| Trypan Blue Solution (0.4%) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | T8154 | |
| Zeiss 700 Laser Scanning Microscopy (confocal microscope) | Carl Zeiss Microimaging, Thornwood, NY | 4109001865956000 |
References
- Walters, M. N., Papadimitriou, J. M. Phagocytosis: a review. CRC Critical Reviews in Toxicology. 5 (4), 377-421 (1978).
- Metschnikoff, E. Untersuchurgen uber die intracellulare Verdauung, bei wirbellosen Thieren. Arbeiten aus dem Zoologischen Instituten der Universität Wien. 5, 144 (1883).
- Tauber, A. I. Metchnikoff and the phagocytosis theory. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 4 (11), 897-901 (2003).
- Janeway, C. A. The immune system evolved to discriminate infectious nonself from noninfectious self. Immunology Today. 13 (1), 11-16 (1992).
- Kumagai, Y., Akira, S. Identification and functions of pattern-recognition receptors. Journal of Allergy and Clinical Immunology. 125 (5), 985-992 (2010).
- Flannagan, R. S., Jaumouille, V., Grinstein, S. The cell biology of phagocytosis. Annual Review of Pathology. 7, 61-98 (2012).
- Candela, T., Fouet, A. Poly-gamma-glutamate in bacteria. Molecular Microbiology. 60 (5), 1091-1098 (2006).
- Kocianova, S., et al. Key role of poly-gamma-DL-glutamic acid in immune evasion and virulence of Staphylococcus epidermidis. Journal of Clinical Investigation. 115 (3), 688-694 (2005).
- Rothbard, S. Protective effect of hyaluronidase and type-specific anti-M serum on experimental group A Streptococcus infection in mice. Journal of Experimental Medicine. 88 (3), 325-342 (1948).
- Oh, S. Y., Budzik, J. M., Garufi, G., Schneewind, O. Two capsular polysaccharides enable Bacillus cereus G9241 to cause anthrax-like disease. Molecular Microbiology. 80 (2), 455-470 (2011).
- Knuf, M., Kowalzik, F., Kieninger, D. Comparative effects of carrier proteins on vaccine-induced immune response. Vaccine. 29 (31), 4881-4890 (2011).
- Wang, T. T., Lucas, A. H. The capsule of Bacillus anthracis behaves as a thymus-independent type 2 antigen. Infection & Immunity. 72 (9), 5460-5463 (2004).
- Vogel, L., et al. Quantitative flow cytometric analysis of opsonophagocytosis and killing of nonencapsulated Haemophilus influenzae by human polymorphonuclear leukocytes. Clinical and Diagnostic Laboratory Immunology. 1 (4), 394-400 (1994).
- Salehi, S., Hohn, C. M., Penfound, T. A., Dale, J. B. Development of an Opsonophagocytic Killing Assay Using HL-60 Cells for Detection of Functional Antibodies against Streptococcus pyogenes. mSphere. 3 (6), 00617-00618 (2018).
- Wang, Y., et al. Novel Immunoprotective Proteins of Streptococcus pneumoniae Identified by Opsonophagocytosis Killing Screen. Infection & Immunity. 86 (9), (2018).
- Humphries, H. E., et al. Seroprevalence of Antibody-Mediated, Complement-Dependent Opsonophagocytic Activity against Neisseria meningitidis Serogroup B in England. Clinical and Vaccine Immunology. 22 (5), 503-509 (2015).
- Jansen, W. T., et al. Use of highly encapsulated Streptococcus pneumoniae strains in a flow-cytometric assay for assessment of the phagocytic capacity of serotype-specific antibodies. Clinical and Diagnostic Laboratory Immunology. 5 (5), 703-710 (1998).
- Wang, T. T., Fellows, P. F., Leighton, T. J., Lucas, A. H. Induction of opsonic antibodies to the gamma-D-glutamic acid capsule of Bacillus anthracis by immunization with a synthetic peptide-carrier protein conjugate. FEMS Immunology and Medical Microbiology. 40 (3), 231-237 (2004).
- Chabot, D. J., et al. Protection of rhesus macaques against inhalational anthrax with a Bacillus anthracis capsule conjugate vaccine. Vaccine. 34 (34), 4012-4016 (2016).
- Chabot, D. J., et al. Efficacy of a capsule conjugate vaccine against inhalational anthrax in rabbits and monkeys. Vaccine. 30 (5), 846-852 (2012).
- Chua, J., et al. Formaldehyde and Glutaraldehyde Inactivation of Bacterial Tier 1 Select Agents in Tissues. Emerging Infectious Diseases. 25 (5), 919-926 (2019).
- . Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (Eighth Edition) Available from: https://grants.nih.gov/grants/olaw/guide-for-the-care-and-use-of-laboratory-animals.pdf (2011)
- Durando, P., et al. Experience with pneumococcal polysaccharide conjugate vaccine (conjugated to CRM197 carrier protein) in children and adults. Clinical Microbiology and Infection. 19, 1-9 (2013).
- Adams, W. G., et al. Decline of childhood Haemophilus influenzae type b (Hib) disease in the Hib vaccine era. JAMA. 269 (2), 221-226 (1993).
- Balmer, P., Borrow, R., Miller, E. Impact of meningococcal C conjugate vaccine in the UK. Journal of Medical Microbiology. 51 (9), 717-722 (2002).
- Chen, M., et al. Induction of opsonophagocytic killing activity with pneumococcal conjugate vaccine in human immunodeficiency virus-infected Ugandan adults. Vaccine. 26 (38), 4962-4968 (2008).
- Paschall, A. V., Middleton, D. R., Avci, F. Y. Opsonophagocytic Killing Assay to Assess Immunological Responses Against Bacterial Pathogens. Journal of Visualized Experiments. (146), e59400 (2019).
- Ezzell, J. W., Welkos, S. L. The capsule of Bacillus anthracis, a review. Journal of Applied Microbiology. 87 (2), 250 (1999).
- Hanna, P. C., Acosta, D., Collier, R. J. On the role of macrophages in anthrax. Proceedings of the National Academies of Sciences of the United States of America. 90 (21), 10198-10201 (1993).
- Fleck, R. A., Romero-Steiner, S., Nahm, M. H. Use of HL-60 cell line to measure opsonic capacity of pneumococcal antibodies. Clinical and Diagnostic Laboratory Immunology. 12 (1), 19-27 (2005).
- Chua, J., Deretic, V. Mycobacterium tuberculosis reprograms waves of phosphatidylinositol 3-phosphate on phagosomal organelles. Journal of Biological Chemistry. 279 (35), 36982-36992 (2004).
- Chua, J., et al. pH Alkalinization by Chloroquine Suppresses Pathogenic Burkholderia Type 6 Secretion System 1 and Multinucleated Giant Cells. Infection & Immunity. 85 (1), (2017).
- Ober, R. J., Radu, C. G., Ghetie, V., Ward, E. S. Differences in promiscuity for antibody-FcRn interactions across species: implications for therapeutic antibodies. International Immunology. 13 (12), 1551-1559 (2001).
- Sorman, A., Zhang, L., Ding, Z., Heyman, B. How antibodies use complement to regulate antibody responses. Molecular Immunology. 61 (2), 79-88 (2014).
- Henckaerts, I., Durant, N., De Grave, D., Schuerman, L., Poolman, J. Validation of a routine opsonophagocytosis assay to predict invasive pneumococcal disease efficacy of conjugate vaccine in children. Vaccine. 25 (13), 2518-2527 (2007).
- Wolf, J. J. . Special Considerations for the Nonclinical Safety Assessment of Vaccines. , 243-255 (2013).
