Hoofdstuk 22 – Vaccines

introductieEdward Jenner in 1798 beschreef het eerste vaccin tegen de pokken door gebruik te maken van de runderpest. Het hypothetische ideale vaccin:

- Is 100% effectief in alle individuen van alle leeftijden- Geeft levenslange bescherming na een enkele toediening- Geeft geen bijwerkingen- Is stabiel onder meerdere condities (temperatuur, licht, vervoer)- Is gemakkelijk toe te dienen (liefste oraal)- Is in onbeperkte hoeveelheden te verkrijgen- Is goedkoop

immunologische principesNa een infectie geeft het humane immuunsysteem een respons tegen de betreffende pathogeen. Na recovery is de persoon beschermd tegen een tweede aanval van dezelfde pathogeen, ideaal gezien levenslang. Dit komt dor de specifieke immuniteit die wordt gekenmerkt door antilichamen in de bloedbaan, cytotoxische t cellen en geheugen cellen.

Het principe achter vaccineren is het nabootsen van een infectie waardoor er een specifieke immuunrespons tegen het pathogeen wordt gemaakt zonder dat de persoon echt geïnfecteerd hoeft te worden. Het succes van een vaccin ligt dus achter de beschermende immuunrespons en het blijvende immunologische geheugen. Deze vorm van vaccineren heet actieve immunisatie. Ook bestaat er passieve immunisatie, hier worden specifieke antilichamen aan de patiënt toegediend waardoor deze voor korte duur immunologische bescherming tegen de pathogeen geven.

Actieve immunisatie: opwekken van een immuunresponsHet opwekken van een immuunrespons tegen een pathogeen gaat volgens een serie van stappen die uiteindelijk leiden tot een blijvende bescherming tegen de specifieke pathogeen:

1. Opname van het vaccin (bestaande uit ofwel het complete pathogeen of antigenen van het pathogeen) door fagocytotische cellen.

2. Activatie en migratie van deze professionele antigeenpresenterende cellen van het geïnfecteerde weefsel naar perifere lymfoide organen.

3. Antigen presentatie aan T lymfocyten en uiteindelijk activatie (of inhibitie) van T- en B-lymfocyten.

4. B cellen vormen plasmacellen die antistoffen aanmaken en geheugencellen voor een volgende immuunrespons tegen de specifieke pathogeen. Geheugencellen zelf kunnen niet voldoende antilichamen aanmaken bij een tweede contact met het antigeen maar kunnen snel prolifereren in antilichaam secreterende plasma cellen dan naïeve B-cellen.

Innate immuunresponsElke immuunreactie begint met activatie van het innate immuunsysteem. Dit is een non-specifieke snelle reactie tegen antigenen. Belangrijke cellen die een rol spelen in dit systeem zijn macrofagen en dendrietische cellen. Let op, het innate immuunsysteem leidt niet altijd naar immunologisch geheugen. Fagocytotische cellen herkennen

geconserveerde microbiele structuren die Pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) heten. Deze worden herkend via pattern recognition receptors (PRRs) op het oppervlak. Voorbeelden van PRRs zijn Toll-like receptoren (TLRs), scavenger receptoren en C-type lectines. Dendrietische cellen kunnen ook via pinocytose, een receptoronafhankelijk proces, materialen uit het extracellulaire omgeving halen.

Behalve het opnemen van antigeen materiaal spelen PRRs een belangrijke rol in het aanzetten van het cytokine systeem dat uiteindelijk de adaptieve immuunreactie die tegen de pathogeen wordt gestart beïnvloed. De fagocyterende cellen zijn na het opnemen van antigenen geactiveerd en scheiden pro-onstekings cytokines al interleukine-1Beta, interleukine-6, tumor necrose factor-alfa en chemokines uit. Chemokines trekken nog meer fagocyterende cellen als neutrofielen en monocyten aan naar het geïnfecteerde weefsel. Pro-ontstekings cytokines induceren koorts en de productie van acute-phase response proteins die pathogenen opsoniseren. De geactiveerde macrofagen, dendrietische cellen (maar ook B-cellen) migreren via een afferent lymfevat naar de dichtstbijzijnde lymfeknoop waar ze het antigeen presenteren aan pathogeen-specifieke lymfocyten.

In de periferen lymfeorganen gaan de cellen uit het innate immuunsyteem interactie aan met cellen uit het adaptieve immuunsysteem (t- en B-cellen). Geactiveerde antigeen presenterende cellen activeren hier T-helper cellen welke na activatie cytokines uitscheiden (Th1 cytokines voor de activatie van macrofagen en th2 cytokines voor de activatie van B-cellen) voor de activatie van de pathogeen-specifieke T- of B-cellen. Behalve de antigeen specifieke binding via de antigeenreceptor is er co-stimulerende signalen tussen lymfocyten en APCs nodig voor activatie van de lymfocyten. Zonder deze costimulatie raken de lymfocyten anerg. Wanneer de lymfocyten worden geactiveerd zullen ze via clonal expansion vermenigvuldigen (adaptieve immuunsysteem).

Adaptieve immuunsysteemHet adaptieve immuunsysteem zorgt voor de eliminatie van de pathogenen in de late fase van de infectie en zorgt voor immunologisch geheugen. Het kan worden opgedeeld in humorale immuniteit (het ontwikklen van antilichamen via B-cellen) en cel-gemedieerde immuniteit (het ontwikkelen van cytotoxische t-cellen). De humorale immuniteit bevat ook onderdelen van de cel-gemedieerde immuniteit. Over het algemeen worden na toediening van een vaccin zowel de humorale als de cel-gemdieerde immuniteit geactiveerd. Wat aangeeft dat beide vormen nodig zijn voor efficiënte bescherming. De balans verschilt echter per pathogeen en is afhankelijk op de wijze waarmee het pathogeen wordt gepresenteerd aan het adaptieve systeem door de APCs.

Antilichamen zijn een typisch component van de humorale immuniteit, ze behoren tot een van de vier immunoglobuline klassen (IgM, IgG, IgA of IgE). MAture B-cellen die het beenmerg hebben verlaten om naar de perifere lymfoide organen te migreren produceren ook IgD op hun membranen. De oppervlakte gebonden antilichamen binden aan specifieke epitopen van het pathogeen en in samenwerking met Thelper-cellen leidt dit tot clonale proliferatie. Dit leidt tot veel plasma cellen die grote hoeveelheden oplosbare antilichamen produceren. Antilichamen beschermen tegen infecties of ziektes via verschillende mechanismen:

- Antilichamen binden aan het antigeen en worden via hun Fc (het constante deel) herkend door fagocyterende cellen die aan hun membraan Fc-receptoren hebben. Dit zorgt voor fagocytose van het antigeen door deze cellen.

- Antilichamen die aan antigeen binden vormen zo immuuncomplexen die het complement systeem activeren. Dit is een systeem dat bestaan uit eiwitten die na een cascade leiden tot cytolyse van de bacterie, envelopped virus of geïnfecteerde cel.

- Fagocyterende cellen hebben receptoren voor complement factoren die geassocieerd zijn met immuuncomplexen. Binding aan deze complement factoren induceert fagocytose.

- Virussen kunnen worden geneutraliseerd door antilichamen na binding aan (of dicht bij) receptor-bindings plekken op het virus oppervlak. Dit kan leiden tot het niet meer kunnen binden en het niet kunnen binnendringen binnen de host-cel.

Antilichamen zijn niet effectief tegen alle micro organismen, vooral niet wanneer cel gemedieerde immuiteit een grotere rol speelt:

- cytotoxische T lymfocyten (CTLs) binden aan target cellen en doden deze via het uitscheiden van perforines. CTLs herkennen geinfecteerde cellen doordat deze virale eiwitten of tumor antigenen produceren.

- T lymfocyten die een rol spelen in vertraagde type sensitiviteit kunnen target cellen killen net als CTLs maar hebben ook Thelper1 functies die macrofagen kunnen activeren.

Andere minder specifieke cellen die een rol spelen in de cytotoxische immuunrespons zijn Natural killer cellen . Natural killer cellen herkennen antilichaam-gebonden cellen en opsonizeren deze via de Fc receptor.

De verschillende immuunreacties die optreden na toediening van een vaccin zijn een resultaat van verschillen in het processen van antigeen door APCs en uiteindelijk de activatie van Thelper-cellen. MHC-moleculen spelen een belangrijke rol in het presenteren van antigenen aan T-cellen. Alle kernhoudende cellen presenteren MHC-1 moleculen op hun membraan en sommigen ook MHC-2.

APCs dragen MHC-2 moleculen op hun plasmamembraan waarmee ze peptiden van opgeloste extracellulaire eiwitten of complexere micro-organismes presenteren. Na endocytose van extracellulaire eiwitten worden deze proteolytisch in stukjes geknipt en op het MHC-2 molecuul gezet voor presentatie aan CD4-positieve Thelper cellen. Deze Thelper-cellen geven type 2 help die nodig is voor het activeren van B-cellen via het uitscheiden van IL-4, IL-5, IL-6, IL-10 en IL-13. Deze interleukines stimuleren B-cellen voor het uitscheiden van IgM en IgG.

Via MHC-1 moleculen kunnen cellen intracellulair verkregen peptides presenteren. Deze MHC moleculen worden herkend door CD8-positieve CTLs. Voor inductie van Cel-gemedieerde immuniteit is Thelper1 cellen nodig welke IL-2, IL-12, interferon-gamma en tumor necrose factor aanmaken. Thelper cellen zijn CD4 positief ongeacht of ze Thelper1 of Thelper2 respons geven. Deze Thelper responses zijn in balans behalve bij autoimmuniteit (vergrote Thelper1 respons) en allergie (vergrote Thelper2 respons).

Vaccin design in relatie met de immuunresponsVoor het ontwikkelen van een vaccin moet er rekening gehouden worden met het type immuunreactie, ook moet er rekening mee worden gehouden dat er een juiste Thelper reactie wordt gestimuleerd. De reactie van B-cellen is afhankelijk van het soort antigeen:

- Thymus-onafhankelijke antigenen bevatten bepaalde lineaire antigenen die niet gelijk worden afgebroken in het lichaam en hebben een herhalende determinant

als bacteriële polysaccharides. Ze kunnen B-cellen stimuleren zonder Thelper-cellen. Deze antilichamen leiden niet tot immunologische geheugen cellen.

- Thymus-afhankelijke antigenen leiden tot weinig of geen antilichaamrespons in dieren die nauwelijks t-cellen hebben. Deze antigenen bevatten plekken die worden herkend door B-cellen en Thelper-cellen. Wanneer een thymus-onafhankelijk antigeen word gekoppeld aan een Thelper-epitoop wordt het thymus-afhankelijk. Deze antigenen induceren immunologisch geheugen.

Wanneer het antigeen een eiwit is kunnen de epitopen continu of discontinu zijn. Continue epitopen zijn een lineaire peptide sequentie van tot 10 aminozuren. Discontinue epitopen bestaan uit meerdere sequenties die in de primaire eiwitstructuur verder van elkaar liggen maar door de 3D-structuur bij elkaar worden gebracht. T-cel epitopen zijn altijd lineair aangezien het een peptide herkend op het MHC-1 molecuul herkend en geen 3D-structuur.

Route van toedieningDe immunologische respons tegen een vaccin is afhankelijk van de manier van toediening. De meeste vaccins worde intramusculair of subcutaan toegediend. Via een infuus wordt induceert systemische immunisatie.

In sommige gevallen wordt een mucosale immunisatie geprefereerd, aangezien de meeste pathogenen via mucasale oppervlaktes binnendringen. Mucosale afgifte van IgA kan het binden en binnendringen van pathogenen tegenhouden.

Classificatie vaccinesKlassieke vaccines komen uit bacteriën of virussen en kunnen worden verdeeld in:

- levende verzwakte vaccines In levende verzwakte vaccins worden de virulentie factoren van de micro-organismen verzwakt waardoor ze verminderde virulentie en toxiciteit hebben. Voordelen van levende verzwakte vaccins zijn dat de vaccines kunnen repliceren in de persoon gelijk aan het pathogeen zelf. Dit levert een grote dosis antigeen waardoor er minder vaccin hoeft te worden toegediend. Levende vaccines leveren over het algemeen humorale en cel-gemedieerde immuniteit.

Nadelen zijn dat er een risico is dat er DNA sequenties in de persoon zijn genoom worden gezet waardoor er alsnog virulentie optreed. Ook toediening aan immuun-deficiente personen is ondenkbaar.

- Niet levende vaccinesGeïnactiveerde micro-organismen (geïnactiveerd via verhitting, formaldehyde) worden toegediend, nadeel is dat er geen cel-gemedieerde immuunrespons wordt opgewekt.

Niet levende subunit vaccines bestaan uit de losse onderdelen van het micro-organisme. Zo kunnen er lage concentraties toxines, eiwitten of polysacchariden worden toegediend.