Open Access

Franziska Voß

• Steptococcus pneumoniae (pneumococcus) represents a common colonizer of the human upper respiratory tract (URT). However, under certain conditions, for example following viral infections, or in indiciduals with a weakened immune system, including young children, elderly and immunocompromised persons, it can cause a wide range of life-threatening diseases, such as pneumonia, meningitis or sepsis. Based on the polysaccharide capsule that surrounds the bacterium, pneumococci are classified into so far 98 different serotypes. Prevention of S. pneumoniae infections was achieved by the development of pneumococcal polysaccharide-based (PPSV) vaccines. However, these vaccines have important limitations, including high manufacturing costs and restricted serotype coverage facilitating replacement by non-vaccine serotypes. Aiming for the development of a serotype-independent vaccine, the potential of surface-exposed and highly conserved pneumococcal lipoproteins was evaluated for being targeted as a future protein-based vaccine. Therefore, selected lipoproteins were examined i) for their surface abundance and accessibility, ii) for their presence in clinically relevant S. pneumoniae strains, and iii) for their immunogenicity. Finally, based on these initial screenings, the most promising candidates were selected to analyze their protective efficacy in a moude model of colonization. DacB and PnrA were identified as highly abundant lipoproteins on the pneumococcal surface. They showed to be immunogenic both during natural infection using convalescent patient sera and when given to mice as a subunit vaccine formulation. Following intranasal immunization and challenge of mice with two heterologous S. pneumoniae strains, both proteins reduced the pneumococcal load in the nasopharynx. The protection correlated with increased production of IL-17A indicative for a Th17-mediated immunity, which is strongly suggested to play a critical role in preventing pneumococcal colonization and infection. Lipoproteins are triggering innate receptors on antigen-presenting cells, thereby linking innate with adaptive immune responses. Therefore, lipidated proteins were evaluated for their potential to be used as an adjuvant for vaccination. Lipidation clearly enhanced humoral immune responses to DacB and PnrA without the need of an additional adjuvant. However, an additional adjuvant was required to confer protection against pneumococcal colonization. In conclusion, Lipoproteins are interesting candidates for future protein-based vaccine strategies because they are highly conserved, abundant and immunogenic. PnrA and DacB were identified as potential candidates, since they induced protection against pneumococcal colonization, which in turn may lead to a decline in infections and transmission.
• S. pneumoniae ist ein üblicher Kommensale der oberen Atemwege des Menschen. Unter bestimmten Bedingungen, z. B. nach Virusinfektionen oder bei Immunschwäche, kann es jedoch eine Vielzahl lebensbedrohlicher Erkrankungen wie Lungenentzündung, Meningitis oder Sepsis hervorrufen. Basierend auf der das Bakterium umgebenden Polysaccharidkapsel, werden Pneumokokken in bisher 98 bekannte Serotypen klassifiziert. Die Präven¬tion von Infek-tionen durch S. pneumoniae wurde durch die Entwicklung von Polysaccharid-Impfstoffen erreicht. Diese Impfstoffe weisen jedoch wichtige Limitationen auf, einschließlich hoher Herstellungskosten und eingeschränkter Serotypabdeckung, die den Austausch durch andere Serotypen erleichtert. Im Hinblick auf die Entwicklung eines Serotyp-unabhängigen Impfstoffs wurde in dieser Arbeit untersucht, ob Lipoproteine, welche in Pneumokokken Oberflächen-assoziiert und konserviert vorliegen, geeignete Kandidaten für einen proteinbasierten Impfstoff darstellen. Hierfür wurden ausgewählte Lipoproteine bezüglich i) ihrer Abundanz und Zugänglichkeit auf der Oberfläche, ii) ihrer Anwesenheit in klinisch relevanten S. pneumoniae-Stämmen, und iii) ihrer Immunogenität untersucht. Die vielversprechendsten Kandidaten wurden schließlich hinsichtlich ihrer schützenden Wirk¬ung gegen eine Kolonisierung mit S. pneumoniae in einem in vivo Maus-Modell analysiert. DacB und PnrA wurden als abundante Lipoproteine auf der Pneumokokkenoberfläche identifiziert. Beide Proteine sind sowohl während einer natürlichen Infektion im Menschen als auch bei Verabreichung als Impfstoff in Mäusen immunogen. Intranasale Immunisierung und Infektion von Mäusen mit zwei S. pneumoniae-Stämmen re¬duzierte die Pneumokokkenbelastung im Nasopharynx. Der Schutz korrelierte mit einer erhöh¬ten Produktion von IL-17A, was auf eine Th17-vermittelte Immunität hindeutet, welche vermut¬lich eine entscheidende Rolle bei der Prävention von Kolonisation und Infektion durch Pneumokokken spielt. Lipoproteine binden an Rezeptoren auf Antigen-präsentierenden Zellen und verbinden damit das angeborene mit dem adaptiven Immunsystem. Daher wurden lipidierte Pro¬teine hergestellt und die Lipidmodifikation hinsichtlich ihres Potenzials als Adjuvans zu fungieren untersucht. Die Lipidie¬rung verstärkte die humorale Immunantwort, ohne dass ein zusätz¬liches Adjuvanz benötigt wurde. Jedoch war ein Adjuvanz unerlässlich, um eine Reduktion der Kolonisation durch Pneumokokken zu erzielen. Zusammenfassend sind Lipoproteine interessante Kandidaten für proteinbasierte Impfstoffstrategien, da sie konserviert, abundant und immunogen sind. PnrA und DacB wurden als potenzielle Kandidaten identifiziert, da sie die Kolonisation durch Pneumokokken im Maus-Modell reduzierten. Im Menschen könnte dies wiederum einen Rückgang von Pneumokokken-Übertragung und -Infektionen ermöglichen.