Characterisation of the immune response after yellow fever vaccination

Abstract

Until now, most studies on the induction of a protective immune response following vaccination focused on rather later time points after vaccination and concentrated on certain cell types like e.g. B cells. But an immunological challenge with a “neo”-antigen also involves other cell types like T cells, NK cells and APCs. In this study, the primary vaccination with the attenuated yellow fever virus YFV 17D was used to examine, especially at early post vaccination time points, the complex interplay of different cell types during an efficient vaccination. In line with other studies it could be confirmed that the live-attenuated YFV 17D vaccine still replicates in vivo leading to viremia in about half of the healthy donors. Thus, the YFV 17D vaccination serves also as an excellent model not only for studying the interaction of different cell types during the induction of a highly protective immune response but also for defining immunological components that correlate with an acute viral challenge. Phenotypical analyses of different elements of the innate immunity, the induction of a YFV 17D-specific T- and B cell immunity, bystander activation and absolute cell counts in peripheral blood were performed at short-term intervals following vaccination using flow cytometry. The generation of neutralizing antibody titers was evaluated using the plaque- reduction neutralizing assay, whereas viral detection in peripheral blood was determined using the quantitative RT-PCR. The results showed an increase in dendritic cell subset numbers and an up-regulation of their MHC class II molecules, serving as a hint of increased antigen presentation. A drop in the number of NK cell subsets in peripheral blood might indicate a migration of NK cells from the blood stream towards the site of infection and secondary lymphoid tissues. Nevertheless, distinct changes in an adoptive immune response were also evident, indicating a significant activation of components involved in antiviral immunity. Apart from the activation of cytotoxic CD8+ T cells, determined by the up-regulation of CD38, the generation of CD19lowCD27high plasmablasts could be detected, reaching a maximum at day 14 following vaccination with YFV 17D. This was paralleled by the induction of neutralizing antibodies in all donors at that time point. Also the generation of antigen specific polyfunctional helper CD4+ T cells, producing not only one but a variety of cytokines, were observed appearing in a biphasic manner, with an early and a later peak of YFV 17D-specific CD4+ T cells appearing in the peripheral blood. By that the first early peak correlated with the later appearance of higher neutralizing antibody titers. Regarding the activation of other non-vaccine related specificities, increased cytokine production for tetanus toxoid- and cytomegalovirus-specific CD4+ T cells could be shown. As this bystander activation was not accompanied by a significant proliferation of these antigen specific CD4+ T cells, the activation could have been caused by an increased sensitivity of the corresponding T cell receptor towards its definite protein. In summary, the analysis of the impact of an attenuated live viral vaccination with YFV 17D on a healthy immune system is a suitable model to get a better insight into an acute viral infection. By that a confirmed cell infection with increased antigen presentation, an active viral replication and a robust activation of the immune system, resulting also in a sensitization of other non-vaccine related helper CD4+ T cells were detectable. The immunization provides not only effective long-term protection thanks to the development of neutralizing antibodies, but also indicates the innate and adoptive immune signatures that define an effective early immune response, prevent a viral replication and lead to the generation of highly neutralizing antibody titers. The results of this study can contribute to the understanding of the induction of a robust and persistent protective immune response and could be used for designing new vaccines.

Viele der bisherigen Studien der Induktion einer schützenden Immunantwort durch eine Impfung konzentrieren sich überwiegend auf die Untersuchung relativ später Zeitpunkte nach Impfung sowie die Betrachtung bestimmter Zellpopulationen wie z.B. B-Zellen. Die immunologische Auseinandersetzung mit einem unbekannten Antigen involviert jedoch die Rekrutierung und das Zusammenspiel vieler verschiedener Zelltypen wie T-, NK- oder Antigen- Präsentierender Zellen. In dieser Studie wurden daher anhand des Modells einer Erstimmunisierung mit dem abgeschwächten Gelbfieber-Lebendimpfstoffvirus YFV 17D insbesondere die in der frühen Phase der Immunantwort auftretenden, komplexen Interaktionsmechanismen verschiedener Zellpopulationen, die zur erfolgreichen Impfantwort führen, untersucht. Wie schon in anderen Arbeiten beschrieben, konnte auch in dieser Studie beobachtet werden, dass es nach Impfung zu einer Replikation des Impfviruses kommt, welche in der Hälfte der gesunden Probanden als Virämie nachweisbar war. Deshalb stellt die Impfung mit YFV 17D ebenfalls ein exzellentes Modell für die Untersuchung immunologischer Komponenten, welche mit einer akuten viralen Infektion korrelieren, dar. In kurzen zeitlichen Intervallen nach Vakzinierung wurden phänotypische Untersuchungen der Komponenten der angeborenen Immunität, das Auftreten einer YFV 17D spezifischen T- und B-Zell-Immunität, „Bystander“-Aktivierung sowie absolute Zellzahlverläufe im peripheren Blut mittels der Methode der Durchflusszytometrie analysiert. Des Weiteren wurden mittels Plaquereduktionstest die Produktion neutralisierender Antikörper analysiert und mittels quantitativer RT-PCR das Auftreten einer Virämie im peripheren Blut untersucht. Mit Hilfe dieser Methoden konnten eindeutige Veränderungen der Komponenten der angeborenen Immunität nach Impfung mit dem Gelbfieber- Impfstoff YFV 17D nachgewiesen werden. Neben einer Zunahme dendritischer Zellgruppen sowie einer Hochregulation ihrer Oberflächen-MHC Klasse II Moleküle, welche als ein Ausdruck der erhöhten Antigenpräsentation interpretiert werden können, konnte eine Reduktion der NK-Zellpopulationen im peripheren Blut nachgewiesen werden. Diese wiederum deutet auf eine Migration der NK-Zellen aus dem Blutstrom zur viralen Eintrittsstelle respektive den sekundären lymphoiden Organen hin. Des Weiteren waren auch deutliche Veränderungen der Komponenten einer adaptiven Immunantwort nachweisbar, die eine signifikante Aktivierung wichtiger Komponenten der antiviralen Immunität anzeigen. Neben der Aktivierung von zytotoxischen CD8+ T-Zellen stellte sich die Generation von CD19lowCD27high Plasmablasten kontinuierlich mit einem Maximum an Tag14 nach Vakzinierung mit YFV 17D dar. Bis zu diesem Tag kam es im Blut aller Probanden auch zu einer Induktion von neutralisierenden Antikörpern. Zusätzlich konnte die Bildung von antigenspezifischen, multifunktionalen CD4+ Helfer-T-Zellen nachgewiesen werden. Interessanterweise traten diese antigenspezifischen CD4+ Helfer-T-Zellen in einem biphasischen Verlauf im peripheren Blut auf. Dabei korrelierte ein frühes Auftreten YFV 17D-spezifischer CD4+ T-Zellen mit einem späteren hohen Titer neutralisierender Antikörper. Bezogen auf die Aktivierung anderer Nicht-Vakzin abhängiger Spezifitäten zeigen die Ergebnisse eine im Verlauf nach Impfung erhöhte Zytokinproduktion Tetanus-Toxoid- und Zytomegalievirus-spezifischer CD4+ T-Zellen. Da diese Bystander-Aktivierung mit keiner signifikanten Proliferation der CD4+ T-Zellen einherging, könnte diese aus einer erhöhten Sensitivität der antigenspezifischen T-Zell-Rezeptoren gegenüber ihren jeweiligen Proteinen resultieren. Zusammenfassend stellt die Vakzinierung mit dem abgeschwächten viralen Gelbfieber-Lebendimpfstoff YFV 17D ein hervorragendes Modell der Auseinandersetzung des gesunden Immunsystems mit einer viralen Infektion dar. Dabei kommt es zu einer nachweisbaren Zellinfektion mit vermehrter Antigenpräsentation, einer aktiven Replikation sowie einer robusten Aktivierung des Immunsystems, die gleichfalls zur Sensibilisierung anderer antigenspezifischer CD4+ Helfer-T-Zellen im Sinne einer Bystander Aktivierung führt. Die Immunisierung induziert nicht nur einen effektiven Langzeitschutz mittels neutralisierender Antikörper, sondern beschreibt gleichfalls effiziente angeborene und erworbene Immunsignaturen. Diese korrelieren mit einer effektiven frühen Immunantwort, verhindern eine Replikation des Impfviruses und führen zur Generierung hoher neutralisierender Antikörpertiter. Die Erkenntnisse dieser Studie können zum besseren Verständnis der Auseinandersetzung des Immunsystems mit einer akuten viralen Infektion beitragen sowie bei der Herstellung neuer Impfstoffe dienen.