Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
ผลของวัคซีนชนิดเอ็มอาร์เอ็นเอต่อแมโครเฟจในตับและความสามารถในการกระตุ้นภูมิคุ้มกันของวัคซีนชนิดเอ็มอาร์เอ็นเอ Ag85B ต่อวัณโรค
Year (A.D.)
2024
Document Type
Thesis
First Advisor
Tanapat Palaga
Second Advisor
Suwatchareeporn Rotcheewaphan,
Faculty/College
Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)
Degree Name
Doctor of Philosophy
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Discipline
Biotechnology
DOI
10.58837/CHULA.THE.2024.1384
Abstract
A new vaccine technology based on the delivery of mRNA has gained widespread acceptance due to the COVID-19 pandemic. The delivery of mRNA formulated with lipid nanoparticles (LNPs) elicits a robust immune response, activating both humoral and cell-mediated response. Depending on the LNP formula, mRNA encoding proteins can be detected in the liver upon intramuscular (IM) administration in mice. Thus, an mRNA vaccine present novel platform for new vaccines for infection diseases, including tuberculosis (TB). This study proposed two major goals to investigate the impact of an mRNA vaccine on innate immune cells in the liver and the use of such for preventing TB. In the first aim, an mRNA encoding ovalbumin (OVA) formulated with LNPs, was administered intramuscularly in mice. A robust OVA-specific antibody was detected in the serum on Day 7. Transcriptomic analysis of F4/80+ liver-associated macrophages revealed 554 genes with differentially expressed levels, compared to the PBS control, with significant upregulation of genes linked to macrophage inflammation, including Tnf, Il6, and Marco. Gene ontology analysis identified IL-6/JAK/STAT3 and TNFa/NF-kB as enriched pathways, characterizing mRNA/LNP-exposed macrophages to be proinflammatory M1-like. Additionally, the active histone mark trimethylated lysine position 4 on histone H3 (H3K4me3) showed notable enrichment at the loci associated with Tnf, Il6, and Marco, indicating that mRNA/LNP has impact on macrophage epigenetic profiles. Taken together, our data indicated that mRNA/LNP administration via the IM route influences the gene expression and epigenetic profiles of liver-associated macrophages, reflecting its robust ability to induce an immune response. In the second aim, we designed an mRNA-based vaccine encoding three TB antigens as novel TB vaccine. The antigens included are Ag85B, ESAT6, and Rv2660c. These mRNA constructs were tested for their ability to be translated into proteins, and the results showed that only Ag85B mRNA was successfully translated into a protein. Therefore, Ag85B was selected for immunogenicity testing. Because BCG vaccine is currently in use to prevent childhood TB, the use of mRNA encoding Ag85B formulated in LNP was investigated as a standalone vaccine or as a booster dose for BCG in mice. Two doses of Ag85B mRNA/LNP induced a robust specific humoral response and Th1 response, as measured by IFN-gamma-producing T cells and polyfunctional CD8+ T cells in the spleens and lungs compared to BCG alone. A heterologous prime-boost regimen induced a broader M. tb antigen-specific response than either one dose of the BCG vaccine or a homologous prime-boost regimen with mRNA/LNP. This approach resulted in the highest levels of IFN-gamma-producing T cells and polyfunctional CD4+ T cells, indicating that mRNA/LNP enhanced the response to other antigens beyond Ag85B. The mycobacterium growth inhibition assay (MGIA) showed that the heterologous prime-boost effectively reduced mycobacterial growth to the level similar to BCG group. Thus, integrating the mRNA vaccine platform into tuberculosis vaccine development may provide an effective strategy to control TB. Taken together, our results clearly show the robust immune activating function of an mRNA/LNP vaccine that affect the phenotype of innate immune cells partially via epigenetic.
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
เทคโนโลยีวัคซีนใหม่ที่มีการนำส่ง mRNA ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายจากการแพร่ระบาดของโรค COVID-19 การนำส่ง mRNA ด้วยอนุภาคนาโนไขมัน (LNP) สามารถกระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยกระตุ้นการตอบสนองด้านสารน้ำและการตอบสนองผ่านการทำงานของเซลล์ โดยขึ้นอยู่กับสูตรของอนุภาคนาโนไขมันที่ใช้ การแสดงออกของโปรตีนที่ประมวลรหัสโดย mRNA สามารถตรวจพบได้ในตับเมื่อฉีด mRNA/LNP ผ่านทางกล้ามเนื้อในหนูเมาส์ ดังนั้นวัคซีนชนิด mRNA จึงเป็นแพลตฟอร์มใหม่ที่น่าจะนำมาใช้สำหรับวัคซีนโรคติดเชื้อ รวมถึงวัณโรค การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์หลักสองประการ คือ การตรวจสอบผลกระทบของวัคซีนชนิด mRNA ต่อเซลล์ภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดในตับ และการนำไปใช้เพื่อป้องกันวัณโรคในหนูเมาส์ ในวัตถุประสงค์แรกนำ mRNA ที่ประมวลรหัสโปรตีนโอแวลบูมินที่ห่อหุ้มด้วยอนุภาคนาโนไขมัน ฉีดผ่านทางกล้ามเนื้อซึ่งตรวจพบแอนติบอดีที่จำเพาะต่อ OVA ในซีรัมในวันที่ 7 การวิเคราะห์ทรานสคริปโตมิกส์ของแมโครเฟจในตับที่มีการแสดงออกของ F4/80+ พบว่ามี 554 ยีนที่แสดงระดับการแสดงออกแตกต่างกัน เมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุมที่ได้รับ PBS โดยพบการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของยีนที่เกี่ยวข้องกับการอักเสบของแมโครเฟจ ได้แก่ Tnf, Il6 และ Marco การวิเคราะห์จีโนมโดยอ้างอิงจากยีนออนโทโลจีระบุว่ามีการเพิ่มขึ้นของสัญญาณ IL-6/JAK/STAT3 และ TNFa/NF-kB ในแมโครเฟจในตับจากหนูเมาส์ที่ได้รับวัคซีน และยังแสดงให้เห็นว่าแมโครเฟจจากกลุ่มที่ได้รับวัคซีนมีลักษณะใกล้เคียงกับแมโครเฟจชนิด M1 ที่หนุนการอักเสบ นอกจากนี้ฮิสโทนไลซีนตัวที่ 4 ที่มีการเติมไตรเมทิล (H3K4me3) ซึ่งเป็นเครื่องหมายฮิสโทน แสดงการเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนในตำแหน่งยีนที่เกี่ยวข้องกับ Tnf, Il6 และ Marco ซึ่งบ่งชี้ว่าวัคซีนชนิด mRNA/LNP มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงโปรไฟล์เชิงเอพิเจเนติกส์ของแมโครเฟจ ดังนั้นข้อมูลเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าการฉีด mRNA/LNP ทางกล้ามเนื้อมีผลต่อการแสดงออกของยีนและโปรไฟล์เอพิเจเนติกส์ของแมโครเฟจที่อยู่ในตับ ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความสามารถในการกระตุ้นภูมิคุ้มกันที่มีประสิทธิภาพ ในวัตถุประสงค์ที่สอง เราออกแบบวัคซีนที่ใช้ mRNA ซึ่งประมวลรหัสแอนติเจนของวัณโรคสามชนิดเพื่อเป็นวัคซีนใหม่สำหรับวัณโรค โดยแอนติเจนที่เลือกใช้ ได้แก่ Ag85B, ESAT6 และ Rv2660c โดยผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า มีเพียง mRNA ของ Ag85B เท่านั้นที่แปลรหัสเป็นโปรตีนได้สำเร็จ ดังนั้น จึงเลือก Ag85B สำหรับทดสอบประสิทธิภาพของวัคซีนชนิด mRNA เนื่องจากในปัจจุบันวัคซีน Bacillus Calmette-Guérin (BCG) ถูกใช้ในการป้องกันวัณโรคในเด็ก การใช้ mRNA ที่เข้ารหัส Ag85B ซึ่งห่อหุ้มด้วยอนุภาคนาโนไขมัน จึงถูกศึกษาทั้งในรูปแบบวัคซีนเดี่ยวและใช้เป็นวัคซีนเข้มกระตุ้น BCG ในหนูเมาส์ จากการศึกษาพบว่าการให้วัคซีน Ag85B mRNA/LNP สองเข็มสามารถกระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันด้านสารน้ำและการตอบสนองแบบ Th1 อย่างมีประสิทธิภาพ โดยวัดจากทีเซลล์ที่ผลิต IFN-gamma ทั้งในม้ามและปอด และพบทีเซลล์ชนิด CD8+ ที่มีความสามารถในการผลิตไซโตไคน์หลายชนิดพร้อมกัน เมื่อเปรียบเทียบกับการให้ BCG เพียงอย่างเดียวกับการให้วัคซีนแบบเฮเทอโรโลกัสไพรม์-บูสต์ โดยให้ BCG ก่อน mRNA/LNP กระตุ้นการตอบสนองที่เฉพาะเจาะจงต่อแอนติเจนของเชื้อวัณโรคได้ได้ครอบคลุมกว่าการฉีดวัคซีน BCG เพียงเข็มเดียว หรือการให้วัคซีน mRNA/LNP แบบโฮโมโลกัสไพรม์-บูสต์ ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นระดับของทีเซลล์ที่ผลิต IFN-gamma และทีเซลล์ชนิด CD4+ ที่มีความสามารถในการผลิตไซโตไคน์หลายชนิดเพิ่มสูงขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่า mRNA/LNP เพิ่มการตอบสนองต่อแอนติเจนอื่นนอกเหนือจาก Ag85B การทดสอบความสามารถในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อไมโคแบคทีเรีย (MGIA) แสดงให้เห็นว่าการฉีดแบบเฮเทอโรโลกัสไพรม์-บูสต์สามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อได้ดีเทียบเท่ากับ BCG เข็มเดียว เมื่อพิจารณาร่วมกัน ผลการศึกษาของเราชี้ให้เห็นถึงฟังก์ชันการกระตุ้นภูมิคุ้มกันที่แข็งแกร่งของวัคซีนชนิด mRNA/LNP ซึ่งส่งผลต่อฟีโนไทป์ของเซลล์ภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดบางส่วนผ่านการปรับโปรแกรมอีพิเจเนติกส์ และสามารถนำมาใช้เพื่อตอบสนองความต้องการวัคซีนใหม่สำหรับโรคที่ยังขาดแคลนวัคซีนเพื่อการควบคุมโรค
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Pongma, Chitsuda, "Effect of an mrna vaccine on liver-associated macrophages and the immunogenicity of Ag85B-mRNA vaccine against tuberculosis" (2024). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 75193.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/75193