Preclinical characterization of the protection and immune response elicited by immunizations with Schistosoma mansoni cathepsin B

Schistosomiasis is a neglected tropical disease caused by freshwater flatworms. The parasite eggs become trapped in host tissues and, as a consequence of the stimulated immune response, promote fibrosis leading to severe organ damage. Schistosomiasis is a chronic disease, and it is a major public health concern due to its significant negative impact on quality of life. Mass drug administration with praziquantel is the mainstay of schistosomiasis control. It has long been recognized that the sole use of praziquantel to control schistosomiasis has important limitations. In particular, drug treatment does not prevent re-infection; thus, requiring constant drug delivery to endemic regions which is unsustainable in the long term. Furthermore, overuse of praziquantel raises concerns of drug resistance. There is therefore a strong incentive to develop a vaccine against schistosomiasis. Even a partially effective vaccine, could significantly decrease disease morbidity and transmission. Our group has expressed the candidate vaccine antigen Schistosoma mansoni Cathepsin B (Sm-Cathepsin B). This protein is an immunogenic cysteine peptidase found in the parasite gut. The overall goal of this thesis was to characterize Sm-Cathepsin B vaccine formulations. Our first objective was to assess the protective potential of a Sm-Cathepsin B formulation containing CpG. We used a C57BL/6 mouse model of schistosomiasis. Mice immunized with our Sm-Cathepsin B formulation had significantly lower parasite burden compared to control mice (54%-59% protection levels). The Sm-Cathepsin B + CpG immunizations elicited a biased Th1 response characterized by elevated levels of IgG2c, IFNɣ, and TNFα. Next, we sought to examine the effect of a less immune-biasing adjuvant. To this end, we used the mouse model of schistosomiasis to test a Sm-Cathepsin B vaccine formulated with the squalene based adjuvant Montanide ISA 720 VG. Using this formulation, we achieved 56%-62% protection. The formulation elicited a mixed Th1/Th2 response consisting of elevated levels of IFNɣ, TNFα, IL-4, IL-5, and IgG1. Both tested Sm-Cathepsin B formulations generated similar protection levels. However, they induced very different immune responses. To fully understand the vaccine-induced protection, we needed to characterize the underlying immune mechanisms. Using an in vitro parasite killing assay, we showed that the anti-parasitic effect in the Sm-Cathepsin B + Montanide immunized animals required the presence of both CD45+ cells (leukocytes) and antibodies; thus, suggesting an antibody-dependent cell-mediated mechanism. Differently, high parasite killing in the Sm-Cathepsin B + CpG group, as well as an unadjuvanted Sm-Cathepsin B group, was independent of the presence of antibodies; thus, suggesting a dominant cellular effect. A more in-depth characterization revealed the cell populations mediating the protection induced by the different vaccine formulations. The anti-parasitic effect observed with the Sm-Cathepsin B + Montanide group was dependent on the presence of CD4+ T cells and Natural Killer (NK) cells. CD4+ T cells are likely activating the NK cells which are then involved in antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity. For the Sm-Cathepsin B + CpG group, CD8+ T cells were shown to be the main effectors mediating parasite killing. Lastly, parasite killing in the unadjuvanted Sm-Cathepsin B group was mediated by CD4+ T cells. In summary, we have demonstrated the protective efficacy of two different Sm-Cathepsin B vaccines, and we have begun to characterize the underlying immune mechanisms mediating Sm-Cathepsin B vaccine-induced protection. Overall, the results of this thesis represent significant progress in the development and understanding of a potential vaccine formulation against schistosomiasis.La schistosomiase est une maladie tropicale négligeé causée par des vers plats d'eau douce. La schistosomiase est une maladie chronique qui représente une préoccupation majeure de santé publique en raison de son impact négatif sur la qualité de vie. L'administration de praziquantel est le pilier de la lutte contre la schistosomiase. Depuis longtemps, il a été reconnu que l'utilisation unique de praziquantel pour lutter contre la schistosomiase présente des limites importantes. En particulier, le traitement avec praziquantel n'empêche pas la reinfection; nécessitant ainsi l'administration constante de médicaments dans les régions endémiques, ce qui est insoutenable à long terme. Il existe donc une forte incitation pour le développement d'un vaccin contre la schistosomiase. Même un vaccin partiellement efficace pourrait réduire, de manière significative, la morbidité et la transmission de la maladie. Notre groupe a exprimé l'antigène Schistosoma mansoni Cathepsine B (Sm-Cathepsine B) comme candidat potentiel. Cette protéine est une peptidase à cystéine très immunogène trouvée dans l'intestin du parasite. L'objectif global de cette thèse était de caractériser les formulations de vaccins contenant Sm-Cathepsine B. Notre premier objectif était d'évaluer le potentiel protecteur d'une formulation de Sm-Cathepsine B contenant du CpG. Le nombre de vers adultes et d'oeufs chez les souris immunisées avec notre formulation de Sm-Cathepsine B étaient nettement inférieure à celle des souris témoins (54%-59% de niveaux de protection). Les immunisations avec Sm-Cathepsine B + CpG ont provoqué une réponse Th1 biaisée caractérisée par des taux élevés d'IgG2c, d'IFNɣ et de TNFα. Ensuite, nous avons examiné l'effet d'un adjuvant moins polarisant l'immunité. À cette fin, nous avons utilisé notre modèle animal de la schistosomiase pour tester un vaccin Sm-Cathepsine B formulé avec l'adjuvant, à base de squalène, Montanide ISA 720 VG. En utilisant cette formulation, nous avons obtenu une protection de 56% à 62%. La formulation a provoqué une réponse Th1/Th2 mixte consistant des taux élevés d'IFNɣ, de TNFα, d'IL-4, d'IL-5 et d'IgG1. Les deux formulations de Sm-Cathepsine B testées ont généré des niveaux de protection similaires. Cependant, elles ont induit des réponses immunitaires très différentes. En utilisant un test in vitro de mort parasitaire, nous avons montré que l'effet antiparasitaire chez les animaux immunisés avec Sm-Cathepsine B + Montanide nécessitait la présence à la fois de cellules CD45+ (leucocytes) et d'anticorps; suggèrant ainsi un mécanisme à médiation cellulaire dépendant d'anticorps. De manière différente, la mortalité élevée des parasites dans le groupe Sm-Cathepsine B + CpG, ainsi qu'un groupe Sm-Cathepsine B sans adjuvant, était indépendante de la présence d'anticorps; suggèrant donc un effet cellulaire dominant. L'effet antiparasitaire observé avec le groupe Sm-Cathepsine B + Montanide était dépendant de la présence de cellules T CD4+ et de cellules tueuses naturelles (NK). Les cellules T CD4+ activent probablement les cellules NK qui sont ensuite impliquées dans la cytotoxicité à médiation cellulaire dépendante des anticorps. Pour le groupe Sm-Cathepsine B + CpG, les cellules T CD8+ étaient les principaux effecteurs intervenant dans la destruction des parasites. Enfin, la mort des parasites dans le groupe Sm-Cathepsine B sans adjuvant était médiée par des cellules T CD4+. En résumé, nous avons démontré l'efficacité protectrice de deux différents vaccins contenant Sm-Cathepsine B et nous avons commencé à caractériser les mécanismes immunitaires responsable de la protection induite par nos vaccins Sm-Cathepsine B. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse représentent des progrès significatifs dans le développement et la comprèhension d'une formulation vaccinale potentielle contre la schistosomiase