Titelaufnahme

Erkrankungen der Augenoberfläche („ocular surface diseases“, OSDs) umfassen ein heterogenes Spektrum von Pathologien des äußeren Auges. Sie reduzieren nicht nur die Lebensqualität, sondern können, wie beim Trachom, das durch wiederkehrende okuläre Infektionen mit Chlamydia trachomatis ausgelöst wird, bis zur Erblindung führen. Das Management von OSDs stellt eine Herausforderung dar und neue Behandlungsstrategien sind nötig. Bei Infektions-induzierten Pathologien ist eine effektive Impfung, die lokal am Ort der Infektion schützt, wünschenswert. Daher stellt die Konjunktiva gemeinsam mit dem konjunktiva-assoziierten lymphoiden Gewebe („conjunctiva-associated lymphoid tissue“, CALT), einen attraktiven Ort für mukosale Immunisierung dar. In der Veterinärmedizin sind derzeit einige Lebendimpfstoffe, die konjunktival appliziert werden, lizenziert. Die Anwendung von Lebendimpfstoffen ist aber am menschlichen Auge problematisch; Impfstoffe auf Protein Basis können eine sichere Alternative bieten. Daher war das Ziel dieser Arbeit, die Effektivität der Immunisierung über die konjunktivale Route zu untersuchen. Dazu verwendeten wir: 1) ein Modellantigen und später 2) ein spezifisches Chlamydiaantigen als potentiellen Vakzinkandidat gegen das Trachom.

Um OSDs erfolgreich topisch zu behandeln, ist ein effektives und tolerierbares Adjuvans wichtig. In der ersten Studie fanden wir, dass ein partikuläres Adjuvans mit Trägereigenschaften, Bakterienhüllen („bacterial ghosts“, BGs), hergestellt aus dem probiotischen Gram-negativen Bakterium Escherichia coli Nissle 1917, in vitro von humanen und in vivo von Meerschweinchen-Konjunktiva Zellen ohne Anzeichen von Toxizität internalisiert werden. Weiters wurden Meerschweinchen zur Etablierung eines Tiermodells für OSDs mit Chlamydia caviae konjunktival infiziert. Ziel war den Einfluss der infektiösen Dosis von C. caviae nach wiederholten Infektionen auf die Immunantwort und die nachfolgende Beseitigung des Pathogens am Infektionsherd zu erforschen. Die Ergebnisse zeigten klare Unterschiede zwischen den Immunantworten auf Infektionen mit höherer und niedrigerer Dosis von C. caviae. Mit der niedrigeren Dosis konnte eine schnellere Beseitigung des Pathogens, wahrscheinlich durch neutralisierende Antikörper gezeigt werden.

Zur Evaluierung der Effektivität der konjunktivalen Route verwendeten wir Tetanus-Toxoid (TTd) als Modellantigen. Die resultierende lokale und systemische Immunantwort wurde mit der korrespondierenden Immunantwort nach subkutaner Immunsierung mit TTd verglichen. Konjunktival appliziertes TTd generierte eine Th1, TTd-spezifische, lokale und systemische Immunantwort. Außerdem wurde die stärkste Th1/Th17 Antwort durch die konjunktivale Gabe mit TTd, in Verbindung mit inaktivierten Bordetella pertussis Zellen (wBP), erreicht. Die Überlebensrate von Mäusen, die mit TTd/wBP konjunktival immunisiert wurden, lag nach der Verabreichung einer letalen Dosis von Tetanus-Toxin bei 33%.

Schließlich untersuchten wir die humorale und zelluläre Immunantwort auf die topische Gabe von BGs, die den N-terminalen Anteil eines immunodominanten Antigen von C. trachomatis, PmpC, exprimieren, im Vergleich zur subkutanen Immunisierung. Beide Routen führten zu einer N-PmpC-spezifischen IFN-γ Produktion, jedoch wurde eine signifikante PmpC-spezifische, lokale IgA Antwort nur nach der konjunktivalen Immunisierung erreicht. Durch die konjunktivale Verabreichung wurde ein partieller Schutz vor einer Infektion mit C. caviae im Vergleich zur subkutanen Route erzielt.

Die Daten zeigen, dass die konjunktivale Immunisierung ein möglicher Ansatz im Management von Infektion-induzierten Pathologien am Auge sein kann. Sie induziert eine Antigen-spezifische humorale und zelluläre Immunantwort, wenn partikuläre Träger verwendet werden. Die Effektivität eines konjunktival verabreichten Impfstoff-Kandidaten hängt aber stark von Infektionsdosis und Infektionsintervall ab.

Ocular surface diseases (OSDs) include heterogeneous pathological conditions of the structures of the external eye. OSDs reduce not only the quality of life, but are even leading to blindness as seen in trachoma, caused by repeated ocular infections with Chlamydia trachomatis. The management of OSDs poses a challenge and new treatment strategies are necessary. In particular, in case of infection-induced OSDs, a vaccine that acts locally at the site of infection is desirable. Hence, the conjunctiva with conjunctiva-associated lymphoid tissue (CALT) is an attractive choice for topical, needle-free mucosal immunization. In veterinary medicine several live vaccines, which are applied conjunctivally, are already licensed. However, since an application of the live vaccines in the human eye raises safety concerns, a protein based, subunit vaccine offers an alternative. Therefore, in this thesis we aimed to investigate the efficacy of the conjunctival route of immunization by applying: 1) model antigen and later 2) specific chlamydial antigen as a potential vaccine candidate against trachoma.

As successful topical treatment of OSDs should also include the efficient and well-tolerated adjuvant, in the initial study of this thesis we found that the particulate adjuvant, with carrier properties, bacterial ghosts (BGs), derived from probiotic Gram-negative bacterium Escherichia coli Nissle 1917 (EcN), are internalized in vitro by human and in vivo by guinea pig conjunctival cells, showing no signs of toxicity. Secondly, for the establishment of an animal model for OSD that could be prevented with a subunit vaccine applied by conjunctival route, we used conjunctival infection in guinea pigs with Chlamydia caviae. The aim was to determine whether the infectious dose of C. caviae after repeated infections influences the immune response and clearance of the pathogen at the site of infection. Our findings show clear differences in these responses between animals infected with a lower or with a higher dose of C. caviae. With the lower dose fast clearance of the pathogen was seen, indicating involvement of neutralizing pathogen-specific antibodies.

As a model antigen for evaluation of the efficacy of the conjunctival route of immunization we used tetanus toxoid (TTd). The resulting local and systemic immune responses were compared to the corresponding responses after subcutaneous immunization with TTd. TTd applied conjunctivally provoked a Th1, TTd-specific local and systemic immune response, moreover, the strongest Th1/Th17 response developed after conjunctival immunization with TTd with merthiolat-inactivated whole cell Gram-negative bacterium Bordetella pertussis (wBP). In fact, conjunctival immunization with TTd/wBP, resulted in a 33% survival of mice following challenge with a lethal dose of tetanus toxin.

Finally, the efficacy of the conjunctival route of immunization was evaluated by characterization of humoral and cellular immune responses after conjunctival and subcutaneous immunization with the immunodominant antigen derived from C. trachomatis, N-terminal polymorphic membrane protein C (PmpC) expressed within EcN BGs (N-PmpC EcN BGs). N-PmpC-stimulated IFN-γ response was initiated by conjunctival and subcutaneous route of immunization, however, N-PmpC-specific mucosal IgA response was induced only after the conjunctival immunization. Conjunctival immunization resulted in partial protection upon challenge with C. caviae compared to subcutaneously immunized guinea pigs.

Presented data show that the conjunctival route of immunization can be used as a possible strategy for treatment of infection-induced pathologies in the eye, by prompting antigen-specific humoral and cellular immune responses, when particulate carrier/adjuvant are used. Also, the efficacy of a vaccine candidate applied conjunctivally can be highly dependent on the infectious dose used and its interval.