Long term cellular immune response to prophylactic human papillomavirus (HPV) vaccines

Abstract

Infections with human papillomaviruses are among the most common sexually transmitted infections, with peak incidence soon after the onset of sexual activity. Persistent infection with high-risk HPV types is considered to be a prerequisite in the development of virtually all invasive cervical cancers and their precursor lesions. Approximately two-thirds of all cervical cancers worldwide can be attributed to infection with HPV 16 and 18. Infections with low-risk HPV types, especially HPV 6 and 11, can cause benign lesions of the anogenital epithelia, also known as the genital warts. Clinical trials of the two licenced prophylactic HPV vaccines, Gardasil® and Cervarix™, have shown remarkable efficacy against infection with, and genital disease caused by, the vaccine type HPV. In addition, both vaccines have shown evidence of cross- protection against homologous, non-vaccine HPV types. With respect to immunogenicity, clinical trials comparing directly the serological responses to the two vaccines have shown that Cervarix™ induces higher antibody titers than Gardasil®. The study from SK Pacher showed that immunisation with both Gardasil or Cervarix induces memory T cell responses against vaccine type HPV as well as against homologous HPV types (HPV 31 and 45), with highest T cell frequencies being detected one month after the completion of the full vaccination cycle. Gardasil® induced higher T cell frequencies against the low-risk HPV 6 and 11, whereas Cervarix™ induced higher T cell frequencies against the high-risk HPV 16 and 18 as well as HPV 31 and 45. Measured 6 months after the third immunization, these differences in the cellular immune response between the two vaccines were not significant. With help of the ex vivo assay this study analyses and compares the long-term memory T cell response in women immunized with Gardasil® or Cervarix™ on average 4.5 years prior to the study enrolment. High frequencies of memory CD4 T helper cells specific for the HPV L1 proteins from HPV 6, 11, 16 and 18 were detected in all 34 women included in the analysis at comparable levels to those detected 6 months after the third immunization. In both the Gardasil® and the Cervarix™ group the highest T cell frequencies were detected against HPV 16 (followed by HPV 6>11>18 and HPV 6>18>11, respectively). In the Gardasil® group, HPV 6, 11 and 16 specific T cells were detected at comparable level, whereas the frequency of HPV 18-specific T cells was much lower. Surprisingly, the T cell responses to low-risk HPV types in the Cervarix™ group were detected at a comparable levels to the T cell response against HPV 18. Direct comparison of the T cell responses showed no significant differences between the Gardasil® and the Cervarix™ group. A trend was observed for Gardasil® inducing stronger T cell responses against the low-risk HPV types, whereas Cervarix™ induced higher T cell frequencies against the high-risk HPV types. The cross- reactivity against the phylogenetically related high-risk HPV types (HPV 31 and 45) was observed in both the Gardasil® and the Cervarix™ group. Gardasil® induced higher T cell frequencies against HPV 31, whereas stronger T cell response against HPV 45 was detected in the Cervarix™ group. Again, the memory T cells were detected at comparable levels to those detected 6 months after the third immunization. Using the in vitro assay we succeeded in expanding and detecting the memory T cells at much higher frequencies compared to those detected using the ex vivo assay. In the Gardasil® group the strongest T cell response was detected against HPV 11 followed by HPV 6, 16 and 18, whereas highest T cell frequencies in the Cervarix™ group were detected against HPV 16, followed by HPV 11, 18 and 6. Surprisingly, in the Cervarix™ group the T cells against HPV 11 expanded better and were detected at higher frequencies than the T cells against HPV 18. We were also able to expand in vitro the cross-reactive T cells against HPV 31 and 45. In the Cervarix™ group the T cell responses against HPV 31 and 45 were detected at up to 1.6-fold lower levels than those against HPV 16 and 18, respectively. Interestingly, in the Gardasil® group the memory T cells against HPV 31 and 45 were detected at higher mean frequencies than those against HPV 18. Comparing the T cell frequencies detected using the in vitro assay, no significant differences were found between the Gardasil® and the Cervarix™ group. Gardasil® seemed to induce stronger T cell responses against HPV 6 and 45, whereas Cervarix™ induced higher T cell frequencies against HPV 16 and 18 as well as against HPV 11, although the HPV 11 VLPs are not included in the vaccine. Analysing the expansion indices, we observed that the IFNγ positive T cells expand better in vitro than IL-2 positive ones. In the Gardasil® group the memory T cells against the low-risk HPV types expanded better than those against high-risk HPV types. The opposite was true for Cervarix™, the exception being the IFNγ- producing T cells against HPV 11 that showed equal expansion indices to HPV 16 and higher ones compared to HPV 18. Altogether the expansion indices were higher in the Cervarix™ group compared to the Gardasil® group, the key likely lying in the adjuvant system AS04 used in Cervarix™. Extrapolating the results from our in vitro assay, it is reasonable to assume that the in vivo exposure to vaccine type HPV and to homologous high-risk HPV 31 and 45 results in boosting of the vaccine-induced memory T cell responses. These responses are important for both the induction and maintenance of the humoral responses and might play a significant role in the outcome of the vaccination and the duration of protection against infection. The highest antibody titers in the Gardasil® group were detected against HPV 11, followed by HPV 18, 16 and 6, whereas the strongest humoral immune response in the Cervarix™ group was detected against HPV 16, followed by HPV 18, 11 and 6. The antibody titers against the low-risk HPV types were up to 80-fold higher in the Gardasil® group, whereas the antibody titers against the high-risk HPV types were up to 5.6-fold higher in the Cervarix™ group. These differences were statistically highly significant. Both Gardasil® and Cervarix™ induced antibodies against HPV 31 at comparable levels, the antibody titers being 14- and 62-fold higher than the those against HPV 16, respectively. We observed a lack of correlation between the cellular and the humoral immune responses detected in our study suggesting the heterogeneity in the immune response to vaccination between individuals. Since the Th2 cells are chiefly responsible for the activation of the B cells and their further differentiation into antibody secreting plasma cells, the correlation between the antigen-specific Th2 cell and antibody response is expected to be much more pronounced and should be tested by adequate methods. In conclusion, high frequencies of memory CD4 T helper cells specific to HPV L1 antigens were detected up to 5.5 years after vaccination with either Gardasil® or Cervarix™ at comparable levels to those detected 6 months after the third immunization, the high cellular immune memory possibly portraying the long term efficacy of the two vaccines. On the polyclonal T cell level we were able to show a strong cross-reactivity with phylogenetically related HPV types.

Humanen Papillomviren gehören zu den häufigsten sexuell übertragbaren Infektionen und zeigen einen Häufigkeitsgipfel bald nach dem Beginn sexueller Aktivität. Persistierende Infektionen mit den High-Risk-HPV Typen sind eine Voraussetzung für die Entwicklung von fast allen Zervixkarzinomen und deren Vorstufen. Etwa zwei Drittel aller Zervixkarzinome weltweit werden einer Infektion mit HPV 16 und 18 zugeschrieben. Low-Risk-HPV Typen, insbesondere HPV 6 und 11, können die benignen Läsionen der anogenitalen Epithelien, die genitalen Warzen, verursachen. Klinische Studien mit den zwei zugelassenen prophylaktischen HPV Impfstoffen, Gardasil® und Cervarix™, haben eine Effektivität bis zu 100% gegen Infektionen sowie genitalen Erkrankungen durch die Impfstoff-HPV-Typen gezeigt. Kreuzprotektion gegen verwandten HPV-Typen wurde für beide Impfstoffe nachgewiesen. Bezüglich der Immunogenität konnten in klinischen Studien, die die serologische Antwort durch beide Impfstoffe direkt verglichen haben, höhere Antikörpertitern in Cervarix™-geimpften im Vergleich zu Gardasil®-geimpften Frauen ermittelt werden. Die Daten von SK Pachert zeigten, dass eine Immunisierung mit Gardasil® bzw. Cervarix™ eine T -Zell-Gedächtnisantwort gegen die im jeweiligen Impfstoff enthaltenen HPV- Typen sowie verwandten HPV-Typen induziert. Beide Impfstoffe erzielten die höchsten T-Zell-Frequenzen einen Monat nach der dritten Impfung. Gardasil® induzierte höhere T-Zell-Frequenzen gegen die Low-Risk HPV 6 und 11, während Cervarix™ stärkere T-Zell-Antworten gegen die High-Risk HPV 16 und 18 sowie 31 und 45 induzierte. Diese Unterschiede in zellulären Immunantwort zwischen den beiden Impfstoffen glichen sich an und waren 6 Monate nach der dritten Impfung nicht signifikant. Die vorliegende Arbeit analysiert und vergleicht mit Hilfe eines ex-vivo-Assays die Langzeit-T-Zell-Gedächtnisantworten in Frauen, die durchschnittlich 4,5 Jahren vor der Studienaufnahme mit Gardasil® bzw. Cervarix™ geimpft wurden. Hohe Frequenzen von HPV 6, 11, 16 und 18 L1 spezifischen CD4+ T-Helfer-Gedächtniszellen wurden in Blut von allen 34 in der Analyse eingeschlossen Frauen detektiert. Die Frequenzen waren vergleichbar mit entsprechenden Frequenzen, die 6 Monaten nach der dritten Impfung festgestellt wurden. Sowohl in der Gardasil®- als auch in der Cervarix™-Gruppe wurden die höchsten T-Zell-Frequenzen gegen HPV 16 ermittelt (gefolgt von HPV 6>11>18 bzw. HPV 6>18>11). In der Gardasil®-Gruppe wurden die HPV 6-, 11- und 16-spezifischen T-Zellen auf einem vergleichbar hohen Niveau gemessen, während die HPV 18-spezifische T-Zell-Antwort deutlich schwächer ausgeprägt war. Unerwarteterweise waren die T-Zell-Antworten gegen die Low-Risk-HPV Typen in der Cervarix™-Gruppe vergleichbar mit denjenigen gegen HPV 18. Der direkter Vergleich der T-Zell-Antworten zwischen der Gardasil®- und der Cervarix™-Gruppe ergab keine signifikanten Unterschiede. Ein Trend wurde beobachtet, in dem Gardasil® stärkere T-Zell-Antworten gegen die Low-Risk-HPV Typen hervorrieft, während Cervarix™ höhere T-Zell-Frequenzen gegen die High- Risk-HPV Typen induziert. Die Kreuzreaktivität gegen verwandte High-Risk-HPV Typen (HPV 31 and 45) wurden sowohl in der Gardasil®- als auch in der Cervarix™-Gruppe beobachtet. Gardasil® induzierte höhere T-Zell-Frequenzen gegen HPV 31, während stärkere T-Zell-Antworten gegen HPV 45 in der Cervarix™-Gruppe festgestellt wurde. Die Frequenzen waren vergleichbar mit den entsprechenden Frequenzen, die 6 Monaten nach der dritten Impfung ermittelt wurden. Unter Verwendung eines in-vitro-Assays gelang es, die T-Gedächtniszellen zu expandieren und deutlich höhere Frequenzen im Vergleich zu denjenigen, die mit Hilfe des ex-vivo-Assay gemessen wurden, zu ermitteln. In der Gardasil®-Gruppe wurde die stärkste T-Zell-Antwort gegen HPV 11 festgestellt (gefolgt von HPV 6>16>18), während die höchste T-Zell-Frequenzen in der Cervarix™-Gruppe gegen HPV 16 gemessen wurden (gefolgt von HPV 11>18>6). Unerwarteterweise konnten in der Cervarix™-Gruppe die T-Zellen gegen HPV 11 im Vergleich zu denjenigen gegen HPV 18 besser expandiert und auf höheren Frequenzen detektiert werden. Die kreuzreaktive T-Gedächtniszellen gegen HPV 31 und 45 konnten auch in vitro expandiert werden. In der Cervarix™-Gruppe wurden bis zu 1,6-fach niedrigere Frequenzen von den T-Zellen gegen HPV 31 bzw. 45 im Vergleich zu denjenigen gegen HPV 16 bzw. 18 ermittelt. Interessanterweise wurden in der Gardasil®-Gruppe höhere Frequenzen von den T-Zellen gegen HPV 31 und 45 im Vergleich zu denjenigen gegen HPV 18 gemessen. Zwischen der Gardasil®- und der Cervarix™-Gruppe wurden keine signifikante Unterschiede in der T-Zell-Antwort gefunden. Gardasil® induzierte tendenziell stärkere T-Zell-Antworten gegen HPV 6 und 45, während Cervarix™ höhere T-Zell-Frequenzen gegen HPV 16 und 18 sowie HPV 11 induzierte, trotz der Tatsache, dass HPV 11 VLPs nicht in dem Impfstoff enthalten sind. Die in- vitro-Expansion von IFNγ+ T-Zellen war stärker als von IL-2+ T-Zellen, was ein Hinweis auf eine Th1-Antwort gibt. In der Gardasil®-Gruppe expandierten die T-Zellen gegen die Low-Risk-HPV Typen besser als diejenigen gegen die High- Risk-HPV Typen. Das Gegenteil traf für Cervarix™ zu. Die einzige Ausnahme stellten die IFNγ+ T-Zellen gegen HPV 11 dar, die vergleichbar hohe Expansionsindizes mit HPV 16 und höhere Expansionsindizes als HPV 18 zeigten. Extrapoliert man die Ergebnisse des in-vitro-Assays kann angenommen werden, dass eine in-vivo-Exposition gegen die Impfstoff-HPV Typen sowie gegen verwandte High-Risk HPV 31 und 45 die Impfstoff-induzierte T-Gedächtniszell- Antworten boosten könnte. Diese T-Zell-Antworten sind wichtig für die Induktion sowie Erhalt von den humoralen Immunantworten und spielen eventuell eine signifikante Rolle für den Erfolg der Immunisierung sowie die Dauer der Protektion gegen eine Infektion. Die höchste Antikörpertiter in der Gardasil®-Gruppe wurden gegen HPV 11 ermittelt (gefolgt von HPV 18>16>6), während der stärkste humorale Immunantwort in der Cervarix™-Gruppe gegen HPV 16 gemessen wurde (gefolgt von HPV 18>11>6). Die Antikörpertiter gegen die Low-Risk-HPV Typen waren bis zu 80-fach höher in der Gardasil®-Gruppe, während Cervarix™ bis zu 5,6-fach höhere Antikörpertiter gegen den High-Risk-HPV Typen induzierte. Diese Unterschiede zwischen den zwei Gruppen waren statistisch hoch signifikant. Sowohl Gardasil® als auch Cervarix™ induzierten vergleichbar hohe Antikörpertiter gegen HPV 31. Diese waren 14- bzw. 62-fach niedriger als die Antikörpertiter gegen HPV 16. Eine Heterogenität der Immunantwort auf die Impfung zwischen den einzelnen Personen wurde durch das Fehlen der Korrelation zwischen der zellulären und der humoralen Immunantwort nahegelegt. Da die Th2-Zellen hauptsächlich für die Aktivierung von B-Zellen sowie deren weiteren Differenzierung zu Antikörper-produzierenden Plasmazellen verantwortlich sind, ist eine ausgeprägtere Korrelation zwischen den Antigen-spezifischen Th2-Zellen und humoralen Immunantwort zu erwarten. Diese sollte mittels adäquater Methoden geprüft werden. Zusammenfassend wurden hohe Frequenzen von HPV L1 spezifischen CD4+ T-Helfer-Gedächtniszellen bis zu 6 Jahren nach der Immunisierung mit Gardasil® und Cervarix™ gemessen. Diese waren vergleichbar mit denjenigen, die 6 Monate nach der dritten Impfung ermittelt wurden. Das ausgeprägte zelluläre Immungedächtnis spiegelt möglicherweise die Langzeiteffektivität der beiden Impfstoffe wider. Auf der polyklonalen T-Zell- Ebene konnten starke Kreuzreaktivitäten gegen verwandten HPV-Typen gezeigen werden.