Immunogenicity and protective efficacy of a new generation of bacterial whole-cell vaccines auxotrophic for D-glutamate

Abstract

[Resumen] La multirresistencia bacteriana constituye una amenaza para la humanidad debido a la falta de opciones terapéuticas; el desarrollo de vacunas para prevenir las enfermedades bacterianas es una prioridad en salud pública y veterinaria. Las vacunas vivas son eficientes, induciendo una respuesta inmunitaria humoral y celular. Sin embargo, pocas están licenciadas debido a la inexistencia de mecanismos universales de atenuación de la virulencia. La síntesis de D-glutamato es un mecanismo conservado en las bacterias y esencial para la formación del peptidoglicano. Aquí se describe una plataforma tecnológica para la obtención de vacunas bacterianas vivas auxótrofas para D-glutamato, que se aplicó con éxito contra los patógenos multirresistentes Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus. Cuando administradas in vivo, las cepas vacunales mostraron atenuación de la virulencia y un crecimiento autolimitado, sin causar enfermedad. Además, desencadenaron la producción de anticuerpos con reactividades específicas y cruzadas y la liberación de citoquinas. Estas vacunas demostraron una eficacia protectora en ratones de 80-100% frente a clones multirresistentes, virulentos y de alto riesgo, como A. baumannii AbH12O-A2, Ab307-0294, P. aeruginosa PA14 y S. aureus USA300LAC. Esta estrategia innovadora puede solucionar las dificultades de atenuación de la virulencia bacteriana, representando una nueva generación de vacunas eficaces y seguras.

[Abstract] Multidrug resistance in bacteria is a major threat to humanity due to the lack of therapeutic options; thus, vaccine development is a priority for global human and animal health. Bacterial live vaccines induce antibody- and cell-mediated immunity and result in efficient immunizations, however, only few are licensed and there is no universal strategy for attenuation. D-glutamate synthesis is a universal key step in bacterial cell wall formation. Here we present a strategic platform for generating effective bacterial whole-cell vaccines auxotrophic for D-glutamate. This strategy was successfully applied to generate three independent vaccines against the major multidrug-resistant pathogens, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus. These vaccine strains showed virulence attenuation and self-limited growth in vivo without risk of disease. Immunization with these whole-cell vaccines elicited high levels of specific and cross-reactive antibodies and stimulated cytokine secretion. Furthermore, immune responses correlated with 80-100% mice protection against the genetically unrelated, multidrug-resistant, virulent and high-risk clones A. baumannii AbH12O-A2, Ab307-0294, P. aeruginosa PA14, and S. aureus USA300LAC using an acute lethal infection model. This innovative approach overcomes the classical difficulties so far encountered in obtaining virulence attenuation and represents a new generation of effective, safe and universal bacterial vaccines for the future.

[Resumo] A multirresistencia bacteriana é unha ameaza para a humanidade debido á falta de opcións terapéuticas; o desenvolvemento de vacinas para prever as enfermidades bacterianas é unha prioridade na saúde pública e veterinaria. As vacinas vivas son eficientes, inducindo respostas inmunes de tipo humoral e celular. Con todo, só unhas poucas están licenciadas debido a inexistencia de mecanismos universais de atenuación da virulencia. A síntese de D-glutamato é un mecanismo conservado nas bacterias e é esencial para a formación do peptidoglicano. Aquí se describe unha plataforma tecnolóxica para a produción de vacinas bacterianas vivas auxótrofas para D-glutamato, o cal foi aplicado con éxito contra os patóxenos multirresistentes Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus. Cando foron administradas in vivo, as cepas das vacinas presentaron atenuación da virulencia e un crecemento auto-limitado, sen causar enfermidade. Ademais, desencadearon a produción de anticorpos específicos e con reactividades cruzadas e a liberación de citocinas. Estas vacinas demostraron unha eficacia protectora nos ratos de 80-100% contra clons multirresistentes, virulentos e de alto risco, como A. baumannii AbH12O-A2, Ab307- 0294, P. aeruginosa PA14 y S. aureus USA300LAC. Esta estratexia innovadora pode resolver os problemas de atenuación da virulencia bacteriana, representando unha nova xeración de vacinas eficaces e seguras.