Adjuvants et Formulations vaccinales

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1 Adjuvants et Formulations vaccinales
Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

2 Towards tailored vaccine delivery: Needs, challenges and perspectives
Towards tailored vaccine delivery: Needs, challenges and perspectives. J.-P. Amorij et al. / Journal of Controlled Release 161 (2012) 363–376 Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

3 Nature de l’antigène. Bridging the knowledge gaps in vaccine design, Rino Rappuoli;Nature Biotechnology 25, (2007) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

4 Pourquoi un adjuvant ? Protéines recombinantes (vaccins synthétiques)
Polysaccharides +/- conjugués (vaccins conjugués) Protéines purifiées à partir de virus ou de bactéries (vaccins sous unitaires) Besoin en adjuvant Vaccins inactivés (tués) Vaccins atténués (Vaccins vivants) Degré de pureté Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

5 Nécessité d’un adjuvant
La simplification des vaccins et la purification des antigènes suppriment le signal immunostimulant présent naturellement dans les virus et les bactéries atténués et inactivés. Antigènes recombinants Adjuvants «synthétiques» Cette immunostimulation est nécessaire pour rendre le vaccin efficace Amplifier la réponse immune Limiter la dose d’antigène nécessaire au vaccin Maintien de la réponse immunitaire dans le temps (mémoire) Modulation de la réponse immunitaire (Th1, Th2, CTL…) Adapter le vaccin aux faibles répondeurs Evolutions de la vaccination Adapter la vaccination à l’Allongement de la durée de vie Combattre les infections chroniques et les cancers Orientation cellulaire de la réponse immune Nouvelles voies d’immunisation Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

6 Diversité moléculaire des adjuvants
Vaxjo: A Web-Based Vaccine Adjuvant Database and Its Application for Analysis of Vaccine Adjuvants and Their Uses in Vaccine Development. Sayers et al Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2012 103 adjuvants in the database. Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

7 Adjuvants vaccinaux approuvés chez l’homme :
Nathalie Garçon, Geert Leroux-Roels, Wen-Fang Cheng, Understanding Modern Vaccines : Perspectives in Vaccinology, 2011 Elsevier B.V. Adjuvants de vaccins le 21 février 2013,FDa.

8 Sels d’Aluminium Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

9 Vaccins de Sanofi Pasteur utilisant des sels d’aluminium :
Avaxim (hépatite A inactivé) Diftavax, DT Vax (diphtérie et tétanos) DTP, DT, Imovax DT, TD adsorbé et DPT adsorbé Tetanus toxoid adsorbed (tétanos) Tetavax (tétanos) DT Coq (diphtérie, tétanos et coqueluche) Genhevac B Pasteur (hépatite B inactivé) Imovax DPT polio et Tetracoq (diphtérie, tétanos, coqueluche et polio inactivé) PENTAct-HiB (Haemophilus influenzae type b, diphterie, tétanos, coqueluche et polio inactivé) ProHIBiT-DPT, Tripacel (Haemophilus influenzae, anatoxines diphtérique et tétaniques adsorbées) HEXAXIM (diphtérie, tétanos, coqueluche, polio, Haemophilus influenzae type b et hépatite B). Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 avril 2013

10 Les sels d’aluminium Mécanismes d’action et limitations Mais
Effet dépôt: libération lente de l’antigène (?) Inflammation au site d’injection et recrutement d’APC Particules adsorbant l’antigène captées par les macrophages (activation, induction d’IL-1) et les DC Action via le récepteur cytosolique NALP3 (NLR) action sur les caspases et la sécretion d’IL1 Activation du système du complément et des éosinophiles Effet sur la réponse humorale uniquement et polarisation vers la voie Th2 [IL-4, IgE, IgG1 (souris) IgG4 (homme)] Mais pas de lyophilisation ou congélation possibles aucun effet sur la réponse à médiation cellulaire T CD8+ Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

11 Mécanisme d’action Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

12 Mécanisme d’action Association avec l’antigène (adsorption)
Effet antigène dépendant Effet dépôt Théorie initiale d’une lente libération de l’antigène au site d’injection Pas d’évidences sur la nécessité de cet effet dépôt Effet dépôt n’est pas nécessaire Mécanisme d’action loin d’être définitivement établi Activation des macrophages et des éosinophiles Interaction avec les cellules dendritiques Inflammasome Novel cellular and molecular mechanisms of induction of immune responses by aluminum adjuvants V. Aimanianda, J.Haensler, S. Lacroix-Desmazes,S.V. Kaveri,J. Bayry. Trends in Pharmacological science Volume 30, Issue 6, June 2009, Pages 287–295 Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

13 Les sels d’aluminium - Exemple
Anti-Ag IgG1 titers post second injection (Day 35) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

14 Liposomes Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

15 Les liposomes-Généralités
Vésicules artificielles: bicouche de phospholipides en solution aqueuse (1965, Bangham et al.) Inclusions d’antigènes (hydrophiles ou hydrophobes) dans les liposomes Insertion de molécules de ciblage (peptides fusogènes, récepteurs, ligands)  stabilité,  relargage aux APCs (Allisson et Gregoriadis, 1974) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

16 Liposomes : Virosomes® Berna, Nasal Flu
Rinaldo Zurbriggen Vaccine( 2003) 21: Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

17 Les liposomes Utilisation vaccinale, suite
Avantages: beaucoup de formes dérivées des liposomes sont possibles: addition de molécules adjuvantes (cytokines, MPL, ISS…) modifications pour améliorer le ciblage (Virosomes: sendai, Influenza: IRIV) Liposomes cationiques Comparison of the depot effect and immunogenicity of liposomes based on DDA, DC-Chol and DOTAP: Prolonged liposome retention mediates stronger Th1 responses. Henriksen-Lacey M, Christensen D, Bramwell VW, Lindenstrøm T, Agger EM, Andersen P, Perrie Y. Mol Pharm Nov 30. Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

18 CAF01 The CAF01 adjuvant enhances antigen uptake and presentation. When a vaccine antigen is formulated with the CAF01 adjuvant, antigen presenting cells readily acquire the antigen, leading to enhanced antigen presentation. This efficiently promote antigen-specific T lymphocytes and long-term immunological memory. dimethyldioctadecylammonium (DDA) and trehalose dibehenate (TDB), Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

19 ISCOMS (1) CSL Immunostimulating complex
Structure développée pour la présentation de protéine membranaires provenant de virus enveloppés avec des possibilités d’immunomodulation Activité adjuvante détectée en 1951 par Espinet Morein B. Et al. Nature 308 (1984) 457. Saponin provenant de l’écorce de the Quillaja saponaria Quil A QS 21 Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

20 ISCOMs® and ISCOMATRIX® adjuvants
ISCOMs® are 40 nm large particles made up of saponins (Quil A), lipids, cholesterol and antigen Delivery systems with increased efficiency of antigen presentation to B cells and uptake by the APC The ISCOMATRIX® adjuvant is identical to ISCOMs® except that it does not contain antigen The ISCOMATRIX® induced a Th2-like response, whereas the ISCOMs®-based vaccine induced a mixed Th1/Th2 response 3rd generation ISCOM™ adjuvant Matrix M adjuvant (Isconova, Sweden; Crucell) consists of 2 saponin fractions from quillaja Study of a Parenterally Administered H5N1 Influenza Vaccine in Healthy Adults (PANFLUVAC) ClinicalTrials (gov Identifier:NCT ) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

21 Schematic of how ISCOMATRIX adjuvant may facilitate Ag translocation
Schematic of how ISCOMATRIX adjuvant may facilitate antigen (Ag) translocation into the class I major histocompatibilty complex (MHC) pathway for presentation to CD8+ T cells. Ag formulated with ISCOMATRIX adjuvant is actively taken up via actin-dependent endocytosis into early EEA1+ endosomes and then late LAMP-1+ lysosomes. At such point, Ag disseminates or translocates into the cytosol, possibly via the formation of pores. In the cytosol, Ag is processed by various protease complexes (such as tripeptidyl peptidase II (TPPII) and/or the proteasome) into precursor peptides that are further trimmed and then selected for entry into the endoplasmic reticulum (ER) via the transporter associated with antigen presentation (TAP). In the ER, peptides are load onto nascent peptide-receptive class I MHC molecules that then traffic to the dendritic cell (DC) cell surface. Development of prophylactic and therapeutic vaccines using the ISCOMATRIX adjuvant. E. Maraskovsky, M. Schnurr, N.S. Wilson, N. C. Robson, J.Boyle and D. Drane, Immunology and Cell Biology (2009) 87, 371–376 Adjuvants de vaccins le 21 février 2013,FDa.

22 ISCOMATRIX ISCOMATRIX adjuvant induces antigen translocation from endosomes and lysosomes to the cytosol in dendritic cells (DCs). MoDCs were incubated with soluble OVA-Alexa-488 alone or OVAAlexa488/ISCOMATRIX (green Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

23 Emulsions Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

24 Les Emulsions Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

25 Emulsions, effet dépôt, signal de danger.
Adjuvant de Freund Huile minérale 85%, Arlacel A (manide monooléate)phase aqueuse contenant 500µl/ml Mycobacterium tuberculosis Freund,J. 1956, The mode of action of immunologic adjuvants, Adv Tuberc Res 7: Syntex adjuvant formulation (SAF) –Roche Squalane MDP-peptidoglycan Pluronic L-121, polysorbate 80 (Tween 80) Chiron MF 59 Squalène, Span 85, Tween 80 MTP-PE, MDPsynthétique lipidé From: Methods in Molecular Medicine, Vol. 42: Vaccine Adjuvants: Preparation Methods and Research Protocols Edited by: D. T. O’Hagan © Humana Press, Inc., Totowa, NJ Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

26 Composition of MF59 D. O’Hagan et al., Expert Rev. Vaccines 12(1), (2013) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

27 A. Seubert et al .The Journal of Immunology, 2008, 180: 5402-5412
Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 avril 2013

28 Caractéristiques du MF59
Augmentation des titres anticorps, des proliférations de cellules T CD4, des activités CTL dans certains modèles antigéniques chez la souris Augmentation du relargage de chemokines par les macrophages Augmentation de l’uptake des Ag par les monocytes. Differencient et migrent Maturation des DCs et up-regulation du CCR7, et des DC homing receptor pour les ganglions drainants MF59 est en clinique avec d’autres antigènes (HCV, papilloma, glycoconjugués, peptides…) Anja Seubert, Elisabetta Monaci, Mariagrazia Pizza, Derek T. O’Hagan and Andreas Wack2.The Adjuvants Aluminum Hydroxide and MF59 Induce Monocyte and Granulocyte Chemoattractants and Enhance Monocyte Differentiation toward Dendritic Cells The Journal of Immunology, 2008, 180: Novartis Vaccines, Siena, Italy Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

29 Composition of clinical O/W adjuvant formulations
Name Company Components v/v % oil component Particle Size (nm) Manufacturing Process Adm. Route Clinical Phase MF59 Novartis Squalene, polysorbate 80, sorbitan trioleate, citrate buffer 2.3 165 Microfluidization IM Licensed AS03 GSK Squalene, a-tocopherol, polysorbate 80, PBS 5 AS02 AS03 plus MPL and QS21 Phase III AF03 Sanofi Squalene, polyoxyethylene cetyl-stearylether, sorbitan oleate, PBS, mannitol 2.9 90-100 PIT SE,MPL-SE,GLA-SE IDRI/IDC Squalene, phosphatidylcholine, poloxamer 188, glycerol, ammoniumphosphate buffer, MPL or GLA may be incorporated 2 120 Phase I/II CoVaccine HT BTG Squalene, polysorbate 80, PBS, sucrose fatty acid sulfate esters 9.9 135 Phase I W805EC NanoBio Soybean oil, polysorbate 80, cethylpyridinium chloride, PBS, ethanol 400 High Speed Emulsification IN Adapted from Cox C. and Haensler Expert Rev Vaccines Jul;12(7):747-58 Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

30 Adjuvants: cibler et activer spécifiquement les récepteurs de l’immunité innée
Toll mutants are highly susceptible to fungal infection (Lemaître et al., 1996) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

31 Recepteurs Toll chez les mammifères.
PAMP: pathogen-associated molecular pattern Streptococcus pneumoniae Staphyllococcus auréus Escherichia coli Virus de la grippe Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

32 Les immunomodulateurs et immunostimulants
Adjuvants Th1 (par exemple, agonistes de TLR4, TL3, TLR7/8 et TLR9) In vivo chez la souris Potentialise la réponse humorale avec IgG2a>>IgG1 (favorise l’induction d’anticorps fixant le complément) Augmente la réponse CD4 et oriente la réponse vers Th1 (IFN-g>IL-5) Induit des CTL si présentation Classe 1: R848 et CpG>MPL In vitro sur cellules humaines Induit des cytokines pro-inflammatoires IL-6, TNFa Induit des cytokines pro-Th1 (IL12p70) Provoque la maturation des cellules dendritiques Attention: chez l’homme: pas de lien Th1 et isotypes d’Ac Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

33 Towards registration…
Additionally to the first VRBPAC on HEPLISAV on November 2012, where an additional safety study would be required by FDA before the agency would consider approving the hepatitis B vaccine, Dynavax reported the design of its next large-scale clinical study for its lead drug HEPLISAV. The planned study, HBV-23, is intended to provide a sufficiently sized safety database for the Agency to complete its review of Dynavax's Biologics License Application (BLA)”. It will be an 8,000 subject, Phase 3 HEPLISAV compared with Engerix-B in adults 18 to 70 years of age 5,500 will be treated with HEPLISAV 2,500 will be treated with GlaxoSmithKline's (GSK) Engerix-B, Two doses HEPLISAV at 0 and 1 month Pertussis & adjuvants Oct 2013

34 IC31 Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

35 Adjuvants Th1: agonistes de TLR7/8 (1)
Imiquimod Resiquimod Loxoribine or 7-allyl-8-oxoguanosine is a guanine nucleoside analog; (d) bromopirimine or 2-amino-5-bromo-6-phenyl-4(3)-pyrimidinone has a structure reminiscent of pyrimidines Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

36 Adjuvants Th1: agonistes de TLR7/8 (2)
Agonistes TLR7 et TLR8 = TLA7/8M TLA7/8M Ag DC-Chol DPPC Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

37 Adjuvants Th1: agonistes de TLR9 (1)
Agonistes TLR9: séquences immunostimulantes ISS=ODN= CpG Découverte des ISS: 1- plasmide ADN efficace, 2- ACF + DNAse inactif  Effet adjuvant de l’ADN bactérien Criblage de 45-mer oligonucléotides (ODN) pour l’induction d’IFN-g motifs CpG: 5’-purine-purine-CG-pyrimidine-pyrimidine-3’ (5’-AGCGCT-3’) (fréquence des CpG: 1/16 de l’ADN des procaryotes vs 1/50 de l’ADN des eucaryotes) Effets de l’ADN bactérien (ADN vertébrés: inactif): cytosines non-méthylées: CpG non-méthylés Effets de l’ADN bactérien ou d’ODN synthétiques non-méthylés sur l’activation des cellules du sytème immunitaire ou sur une application vaccinale: > 448 articles depuis 1997 Plusieurs approches en compétition: CpG, ISS, IMO, etc… Question majeure – possibilité d’induction d’autoimmunité (Krieg et al; Nat Immunol. 2002, 3:423) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

38 Adjuvants Th1: agonistes de TLR4 (1)
Monophosphoryl Lipid A (MPL) LPS: adjuvant: Johnson, Détoxification par hydrolyse acide: Ribi, 1979 MPL: LPS détoxifié purifié à partir de bactéries Gram- (Salmonella minnesota ou E coli) Interagit avec TLR4 sur les APC et induit la production de NO, cytokines pro-inflammatoires (IL-1, IL-6, TNF-a) et lymphokines T (IL-2, IFN-g) Formulation du MPL (GSK): phase aqueuse, émulsion (AS02), adsorbé sur Alum (AS04), liposomes... Stabilité et innocuité satisfaisantes: essais cliniques >270,000 doses FendrixTM (HBV) et CervarixTM (HPV) commercialisés Dérivés synthétiques par Ribi/Corixa/GSK (RC-529): Etudes structure/fonction sur ces molécules; avantage pour le manufacturing Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

39 Voies de signalisation des TLRs
L’association d’agonistes de TLRs ayant des voies de signalisation différente peut avoir des effets synergiques Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 avril 2013

40 AS04 monophosphoryl lipid A (MPL)
Exemple: Cervarix, MPL plus Aluminium ouvre la voie de l’utilisation d’un adjuvant a base d’aluminium de de MPL. Avec les feux verts décrochés aux Etats-Unis et au Japon, le Cervarix est désormais autorisé dans cent pays, d'après un pointage effectué par son fabricant. Cela inclut les 27 Etats membres de l'Union européenne, l'Australie, le Brésil, la Corée du sud, le Mexique et Taïwan. Gardasil utilise la technologie bien connue de sels d’aluminium comme adjuvant. Cet adjuvant, bien que stimulant la production de quelques facteurs pro-inflammatoires nécessaires à la production d’une immunité humorale, tels que l’interleukine (IL)-4, ne résulte pas en une forte réponse inflammatoire comme d’autres adjuvants développés plus récemment pour optimiser la réponse immune, tels que le monophosphoryl lipid A (MPL) utilisé dans le vaccin Cervarix. Le MPL est une version du lipopolysaccharide (LPS) modifié pour ne plus induire de toxicité, mais garder ses propriétés immunostimulatrices. MPL a été acquis par GSK lors du rachat récent de la société de biotechnologie Corixa, qui avait développé MPL. MPL agit sur les cellules présentatrices d’antigène du système immunitaire en stimulant l’un des récepteurs centraux de l’inflammation, le Toll-like receptor (TLR)-4. Cette stimulation résulte en une sécrétion importante de facteurs, ou cytokines, pro-inflammatoire, telles que IL-6, IL-12 ou Tumor Necrosis Factor (TNF)-α. Cervarix contient du MPL formulé avec des sels d’aluminium, un adjuvant développé par GSK sous le nom de AS04. Dans deux essais cliniques de Cervarix formulé avec ou sans MPL (AS04 contre sels d’aluminium seuls), la quantité d’anticorps contre le virus HPV ainsi que le nombre de cellules B mémoires responsables de produire les anticorps protecteurs étaient plus importantes jusqu’à 4 ans après vaccination si MPL était utilisé. Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

41 Mode d’action de AS04 Cervarix ® et Fendrix ®
Colocalisation sur une fenêtre de temps de 24 heures. Activation des monocytes et des DC migration vers les ganglions drainants. Effet limité aux cellules qui expriment le TLR4 Dendritiques Monocytes Cervarix ® 13,9 million de dose. The safety evaluation of adjuvants during vaccine development: The AS04 experience. Garçon N. et al. Vaccine 29 (2011) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

42 Effet d’un immunomodulateur
Adjuvant related antibody titers Negative control Adj 3 Ag + Emulsion - TLA Ag + TLA Ag + Emulsion MF59 Ag 20 40 60 80 100 120 140 Reciprocal Titer Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

43 Les adjuvants Retour en arrière: Définitions et contraintes
Les adjuvants: molécules qui incorporées dans les préparations vaccinales permettent d'augmenter l’intensité et la durée de la réponse immunitaire spécifique aux antigènes vaccinaux et/ou d’en influencer la nature (Th1/Th2, humorale versus cellulaire) Un bon adjuvant doit : Stimuler une forte réponse humorale et/ou cellulaire Induire une mémoire immunitaire Être non-toxique aux doses efficaces utilisées Être non-mutagène, carcinogène ou tératogène Être non-pyrogène Ne pas induire d’auto-immunité Être stable (temps, température, pH) Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

44 Adjuvants pour autres voies d’administration
voie orale Voie mucosale Voie cutanée Mais d’autres voies d’administration pour quelles raison, produit, marketing, stabilité, vaccinations de masse etc. Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

45 Adjuvants: Conclusions (1)
Mécanismes d’action commencent à être étudiés Meilleure connaissance des mécanismes d’immunologie fondamentale Le couple antigène-adjuvant est déterminant: pas d’adjuvant universel L’activité adjuvante est souvent liée à une réactivité Autorisation de mise sur le marché (AMM) de plus en plus réglementée Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

46 Safety evaluation of adjuvants
European Medicines Agency: Committee for proprietary medicinal products (CPMP). Note for guidance on preclinical pharmacological and toxicological testing of vaccines; Report no.: CPMP/SWP/465/95. Available from: Food and Drug Administration (FDA): Center for Biologics Evaluation and Research (CBER). Guidance for Industry for the Evaluation of Combination Vaccines for Preventable Diseases: Production, Testing and Clinical Studies; Available from: World Health Organisation. WHO guidelines on nonclinical evaluation of vaccines; Available from: European Medicines Agency: Committee for medicinal products for human use (CHMP). Guideline on adjuvants in vaccines for human use; Report no.: EMEA/CHMP/VEG/ Available from: Food and Drug Administration: Center for Biologics Evaluation and Research (CBER). Guidance for Industry: Considerations for Developmental Toxicity Studies for Preventive and Therapeutic Vaccines for Infectious Disease Indications; Available from: Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014

47 Adjuvants: Conclusions (2)
Peu d’adjuvants sont utilisés chez l’homme: essentiellement sels d’aluminium et les émulsions de squalène TLR agonistes prennent place De nouveaux adjuvants sont indispensables pour développer de nouveaux vaccins, en particulier contre les cancers et les infections virales pour lesquels une réponse Th1 et/ou CTL est indispensable Longue liste d’adjuvants actuellement en essais cliniques (MPL, émulsions, ISCOM, QS21, liposomes, autres agonistes de TLR...) La balance efficacité/risque est critique pour la sélection d’un adjuvant Modèles animaux insuffisamment prédictifs: necessité d’essais cliniques Adjuvants et Formulations vaccinales le 18 mars 2014