Identification of molecular mechanisms mediating the adjuvanticity of cyclic di-nucleotides

Skrnjug, Ivana

Impfungen sind eine der kostengünstigsten Präventionsstrategien gegen Infektionskrankheiten. Um Sicherheitsrisiken, die mit der Verwendung von vollständigen Pathogenen einhergehen, zu vermeiden, sollten bevorzugt Impfstoffe entwickelt werden, die nur Untereinheiten von Pathogenen beinhalten. Solche Impfstoffformulierungen sind jedoch oft nur gering immunogen, was den Zusatz von Adjuvantien erforderlich macht. Die zyklischen Dinukleotide (CDNs) bis-(3‘,5‘)-zyklisches dimeres Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) und bis-(3‘,5‘)-zyklisches dimeres Adenosinmonophosphat (c-di-AMP) sind Adjuvanskandidaten, die die Stimulation ausgewogener humoraler und zellulärer Immunreaktionen nach systemischer oder mukosaler Verabreichung verstärken können. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die mukosale Adjuvansaktivität des CDN (3‘,5‘)-zyklisches (Adenosinmonophosphat-Guanosinmonophosphat) (cGAMP) in Immunisierungsstudien an Mäusen demonstriert und mit der Adjuvansaktivität des c-di-AMP verglichen. Auf der Grundlage von Immunisierungsexperimenten wurde gezeigt, dass c-di-AMP und cGAMP in ähnlichem Maße die Stimulierung antigen-spezifischer humoraler Immunantworten, T-Helferzell (Th) 1- und Th2-Antworten verstärken. Im Gegensatz dazu wurde gefunden, dass c-di-AMP die Th17-Antwort stärker erhöhte als cGAMP. In-vitro-Experimente demonstrierten, dass IL-12/IL-23p40 durch c-di-AMP stärker induziert wird als durch cGAMP, während beide CDNs ähnlich stark die Oberflächenexpression der Aktivierungsmarker MHC Klasse II, CD86 und CD80 hochzuregulieren vermochten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Bedeutung der Induktion und der Signalwirkung von Typ I Interferon (IFN) für die Adjuvansaktivität von c-di-AMP und cGAMP in vivo beurteilt. Dazu wurden Immunisierungsstudien mit Mäusen durchgeführt, denen funktionstüchtige Varianten der Moleküle Stimulator von Interferongenen (Sting) oder IFN-alpha/beta-Rezeptor (IFNAR) fehlten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Adjuvantizität von c-di-AMP und cGAMP von Sting abhängt, während IFNAR verzichtbar ist. Diese Arbeit demonstrierte das Potenzial von CDNs, als Komponente in Impfstoffen eine wirksame und vorhersagbare Immunantwort hervorzurufen. Dazu wurde gezeigt, dass der IFNAR Signalweg das Ausmaß der durch c-di-AMP oder cGAMP verstärkten Immunantworten nur moduliert. Die Ergebnisse demonstrieren außerdem, dass alternative Sting-Signalwege, die nicht durch IFNAR vermittelt sind, für die Adjuvansaktivität von c-di-AMP und cGAMP erforderlich sind.

Vaccination is one of the most cost-efficient strategies for prevention of infectious diseases. To avoid safety issues associated with the use of whole pathogen-containing vaccines, the development of pathogen-subunit vaccines should be favored. However, they are usually poorly immunogenic and often require adjuvants in their formulation. The cyclic di-nucleotides (CDNs) bis-(3´,5´)-cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) and bis-(3´,5´)-cyclic dimeric adenosine monophosphate (c-di-AMP) are promising candidate adjuvants, capable of enhancing the stimulation of balanced humoral and cellular immune responses after systemic or mucosal administration. In the first part of this thesis, the mucosal adjuvant activity of the newly discovered CDN (3',5'-3',5')-cyclic (adenosine monophosphate-guanosine monophosphate) (cGAMP) was demonstrated in mouse immunization studies and was compared to the adjuvant activity of c-di-AMP. It was shown that c-di-AMP and cGAMP enhance the stimulation of antigen-specific humoral responses, T helper (Th) 1 and Th2 responses to a similar extent. In contrast, c-di-AMP was shown to be a stronger enhancer of the Th17 response, as compared to cGAMP. In vitro experiments demonstrated a stronger induction of IL-12/IL-23p40 by c-di-AMP than by cGAMP, whereas their capacity to up-regulate the surface expression of the activation markers MHC class II, CD86 and CD80 were similar. In the second part of this thesis, the relevance of the type I interferon (IFN) induction and signaling pathways for the adjuvanticity of c-di-AMP and cGAMP was evaluated. Immunization studies were performed using mice lacking functional stimulator of interferon genes (Sting) or IFN-alpha/-beta receptor (IFNAR). The results suggested that the adjuvanticity of c-di-AMP and cGAMP is dependent on Sting, whereas IFNAR is dispensable. The findings described here demonstrate the potential of CDNs to be used in vaccine formulations as a tool for evoking effective and predictable immune responses. In addition, they shed light on the role played by type I IFN signaling in the development of adaptive immune responses post vaccination. First, IFNAR deficiency did not abolish the enhancement, but it modulated the extent of c-di-AMP and cGAMP-enhanced immune responses. Second, the results demonstrate that not the classically described function of Sting in the induction of type I IFN but rather alternative pathways are required for the adjuvant activity of c-di-AMP and cGAMP.

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Skrnjug, Ivana: Identification of molecular mechanisms mediating the adjuvanticity of cyclic di-nucleotides. 2015.

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