Bovine Herpesvirus-4 vectored-based vaccine for Ovine Rinderpest

Abstract

Ovine Rinderpest, altrimenti conosciuta a livello mondiale come Peste des Petits Ruminants (PPR), è una malattia infettiva endemica in grado di colpire i piccoli ruminanti domestici e selvatici. La prima manifestazione della malattia PPR risale agli anni ’40 in Africa Occidentale, successivamente venne identificata anche in Africa Settentrionale ed Orientale e nel Vicino e Medio Oriente, raggiungendo il Sud-Est Asiatico, dove nel 2007 venne identificata in Cina. Più recentemente, nel 2016, la malattia si è manifestata anche in Europa. L’agente eziologico della PPR è un virus appartenente al genere Morbillivirus (famiglia Paramyxoviridae), definito virus Peste des Petits Ruminants (PPRV). PPRV è un virus a singolo filamento di RNA a polarità negativa, avente come target capre e pecore, nei quali induce sintomi caratteristici, quali: febbre, lesioni del cavo orale, dissenteria e polmonite, con elevata mortalità. La malattia rappresenta quindi una emergenza nei paesi in via di sviluppo la cui economia è principalmente basata sull’allevamento di ovini e caprini e dove PPR causa importanti perdite economiche. Al fine di eradicare la malattia, l’Office International des Epizooties (OIE) (http://www.oie.int/animal-health-in-the-world/oie-listed-diseases-2018/) e la Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) hanno hanno sviluppato in maniera congiunta una strategia globale per il controllo e l'eradicazione della PPR, che dovrebbe essere raggiunta entro il 2030. La vaccinazione rappresenta la strategia più efficace per controllare la diffusione della malattia, tuttavia ad oggi, tutti i vaccini vivi attenuati commercialmente disponibili contro PPRV sono limitati dalla termolabilità e dalla incapacità di distinguere tra gli animali naturalmente infettati dal patogeno e quelli vaccinati (Differentiating the Infected from Vaccinated Animals, DIVA), quindi non sono impiegabili in un programma di siero-sorveglianza ed eradicazione. Un vaccino ideale dovrebbe invece essere termostabile e permettere la distinzione degli animali naturalmente infettati da quelli vaccinati. L’obiettivo di questo progetto di Dottorato è quello di cercare di generare un vaccino DIVA di nuova generazione basato su un virus Bovine herpesvirus type 4 (BoHV-4) ricombinante, esprimente la proteina emoagglutinina del virus della Peste des Petit Ruminants (PPRV-H) ed in grado di indurre una specifica risposta umorale contro l’antigene PPRV-H. I vettori virali, capaci di incrementare l’immunogenicità dei transgeni veicolati senza la necessità di adiuvanti e di stimolare una forte risposta immunitaria sia umorale che cellulo-mediata, rappresentano strumenti promettenti per l’immunoprofilassi e la terapia genica. Il ceppo BoHV-4 utilizzato nella sperimentazione di questo progetto di Dottorato possiede diverse caratteristiche biologiche e molecolari che lo rendono un potenziale efficiente vettore virale per l’espressione di transgeni in assenza di patogenicità o di attività trasformante. Inoltre, poiché l’antigene H rappresenta la glicoproteina di superficie immunodominante del virus PPR, coinvolta nelle fasi di adesione e penetrazione del virus nella cellula ospite, è stato scelto come transgene candidato per questo vaccino DIVA. Il BoHV-4 ricombinante (BoHV-4-A-PPRV-H-ΔTK) è stato generato in vitro e validato in vivo per la capacità di stimolare sia la produzione di anticorpi che l’attività cellulo-mediata da parte del sistema immunitario in topi C57BL/6 immunocompetenti. I topi inoculati con BoHV-4-A-PPRV-H-ΔTK hanno efficientemente prodotto linfociti T CD4+ helper e CD8+ citotossici ed elevati titoli di anticorpi sieroneutralizzanti specifici contro l’antigene PPRV-H. I linfociti T CD4+ helper giocano un ruolo cruciale nella presentazione degli epitopi virali alle plasmacellule B mentre l’attività citotossica dei linfociti CD8+ and CTL assicura la clearance virale tramite diretta eliminazione delle cellule infettate. Sebbene gli anticorpi sieroneutralizzanti siano considerati i principali componenti immunitari in grado di fornire protezione, studi recenti su virus Riderpest (RPV) hanno mostrato che i soli anticorpi non sono in grado di indurre protezione immunitaria, suggerendo che l’attività cellulo-mediata insieme alla produzione di elevati titoli di anticorpi sieroneutralizzanti possano fornire ed assicurare una barriera protettiva contro PPRV. La potenziale conferma di questi dati sperimentali preliminari, ottenuti sul modello animale murino, nell’animale ospite del PPRV, suggerirebbe il vettore ricombinante BoHV-4-A-PPRV-H-ΔTK come possibile candidato vaccino contro la malattia PPR, impiegabile in un programma di eradicazione su campo per proteggere le mandrie di ovini e caprini dalla infezione di PPRV.

Ovine Rinderpest is an endemic infectious disease, aslo globally known as Peste des Petits Ruminants (PPR), affecting both wild type and domestic small ruminants. PPR has first appeared in West Africa in the 1940s, and since then it has been spreading across North and East Africa, and to the Near and Middle East, reaching the South and East Asia, where it has been reported in China in 2007. More recently, in 2016, it has also emerged in Europe. PPR is caused by a virus belonging to the Morbillivirus genus (Paramyxoviridae family), named Peste des Petits Ruminants Virus (PPRV), a negative single stranded RNA-based virus, primarly targeting goats and sheep. Fever, oral lesions, diarrhea, pneumonia and, often, death are all PPR characteristic symptons manifested by affected animals. The disease is thus particularly concerning for underdeveloped countries, whose economy is mainly based on small ruminants livestock, and where PPR causes drastic economic losses. In order to eradicate the disease, the Office International des Epizooties (OIE) (http://www.oie.int/animal-health-in-the-world/oie-listed-diseases-2018/) and the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) have jointly developed a Global Strategy for PPR control and eradication, expected to be reached by 2030. Vaccination represents the most effective strategy for PPR control, however to date, all the commercially available live attenuated vaccines are constrained by thermolability and inability of Differentiating the Infected from Vaccinated Animals (DIVA), thus not being employable for sero-surveillance in an eradication program. A suitable vaccine, should instead, be thermo-stable and allow the distinction between naturally infected and vaccinated animals. This PhD research project attempts to develop a new generation DIVA vaccine based on a recombinant Bovine herpesvirus type 4 (BoHV-4) expressing the Peste des Petit Ruminants Virus Hemagglutinin antigen (PPRV-H), capable of inducing a specific anti-PPRV-H antibody response. Viral vectors represent promising tools for gene therapy and vaccines, enhancing transgenes immunogenicity without the need of adjuvants and strongly stimulating both humoral and cell-mediated immune responses. The BoHV-4 strain employed in this PhD experiments, owns several biological and molecular characteristics that highlight it as a potential and efficient viral vector for transgenes expression, with no proof of pathogenicity or transforming activity. Since the H antigen represents PPRV immunodominant envelope glycoprotein, displays hemagglutinin and neuraminidase activities and plays a crucial role in virus attachment and penetration, it has been chosen as the transgene candidate for this DIVA vaccine. The recombinant BoHV-4 (BoHV-4-A-PPRV-H-ΔTK) has been in vitro generated and in vivo assessed for both cellular and humoral immune responses in immunocompetent C57BL/6 mice. BoHV-4-A-PPRV-H-ΔTK inoculated mice efficiently produced specific T lymphocytes, comprehensive of CD4+, CD8+ and Cytotoxic (CTL) T Limphocytes, and high titer of sero-neutralizing antibodies against PPRV-H. Helper CD4+ T cells play a crucial immune role in presenting viral epitopes to plasma B cells while CD8+ and CTL cytotoxic activity assure virus clearance by directly eliminating the infected cells. Although antibodies are considered the most likely effectors for inducing immune protection, studies on Rinderpest morbillivirus (RPV) showed that antibodies alone are not able to infer protection, suggesting that cell mediated immune activity intertwined with the production of high sero-neutralizing antibodies titers might ensures a protective barrier against PPRV. Thus, these positive preliminary data obtained on mice models, if further confirmed on PPRV natural hosts, suggest that recombinant BoHV-4-A-PPRV-H-ΔTK vector might represent a potential, effective vaccine candidate employable on field, in an eradication program to protect against PPRV herd infection.