Mécanismes d’action des vaccins Pr Dominique Salmon Avril 2008

Points abordés Historique Mécanismes immunologiques Mémoire immunitaire, durée de la protection Rôle des adjuvants Immunité collective

Approche initiale empirique : de la vaccination à l’immunologie Mimer une infection Observation empirique : une infection guérie protège de la maladie Découverte de l’immunologie AC, CTL.. Observation empirique Lors d’une épidémie de variole, les sujets ayant fait la variole sont protégés Notion d’apprentissage de mémoire et métaphores guerrières : soldats dans l’oraganisme capables de nous défencdre Découverte de mécanismes moléculaires et cellualires spécifiques Construction théorique sur la base de l’observation

Plus de 210 ans d’histoire… Premier vaccin virus animal (vaccine) Jenner, 1795

Vaccins vivants Jenner, 1795 Pasteur, 1885 20esiécle, 1921 1935 Virus animal (vaccine) Atténuation physique (rage) Passage sur animal, œufs, in vitro (BCG..) Passage sur culture cellulaire Vaccins adaptés sur culture cellulaire (rougeole, OPV, varicelle, oreillons..) Vaccins adaptés aux basses température (rubéole)

Vaccins inactivés Organismes entiers tués Anatoxines (1923) Fragments (typhoide, choléra, hépatite A, coquelucheux à germes entiers, IPV) Anatoxines (1923) (diphtérie, tétanos) Fragments (grippe, rage…) Polysaccharides ( pneumococcique) Protéines (hép B, coquelucheux acellulaire) C’est Salmon ( de salmonelles) et Smith qui ont découvert les premiers découvert les principes de l’inactivation des bactéries. On a commencé avec la typhoide, le choéra e tplus tarde le vaccin anti polio de salk Ramon a démontré qu’on pouvait inactiver les toxines des bactéries On a appris à détruire des organismes entiers pour avoir des vaccins sou –unitaires (ex grippe) Ona ensuite découvert que les polysaccharides capsulaires étaient très importants pour l’immunité (cas du premier vaccin antipneumococcique) mias qu’ils n’étaient pas immunogènes pour les jeunes enfants Et on a demontré que la conjugaison augmentait leur immunogéncité et même pour les plus âgés La purification des protéines a permis la fabrication de vaccins contre l’hépatite B dans des systèmes de cultures transgénqieus (hépB dans des ceullues d elevure ou de mammifère..) Popur l’instant, les peitides ne sont pas très efficaces pour les vaccins. Il s’agit de trouver des adjauvants plus efficices pour qu’ils soient immun ogènes Polysaccharides conjugués (1985 ) (Hib, pneumo, méningo) Peptides (mélanome)

De l’immunologie à la vaccination Injection d’ag identifiés Immunologie Corrélats de protection contre ag identifiés Induction d’effecteurs On voudrait maintenant que l’immunologie moderne permette un retoru sur la vaccination . On est dans une sorte de boucle On essaie d’induire des effecteurs : AC neutrtalisants, CD4+, CD8+ CTL, I muqueuse, I innée, cellules dendritiques Mais le pouvoir prédicitif est faible Mêm si on sait que tous ces effecteurs participent à la vaccination on ne sait pas si cela suffira à induire une protection Pour les AC neutrs , on ne sait pas bien les induire ou on ne sait pas si on les a bien mesurer => alors on passe à l’effecteur suivant les CTL CTL : on se retrouve devant le m^me problème on ne siat pas bien les mesurer. Les a-t-on bien induit ? AC neutrs CD4+/ CD8+ CTL I muqueuse… Protection

Stratégies nouvelles Réassortiments de segments de génomes d’ADN Mutations génétiques (ex VRS) Particules défectives Plasmide ADN Agents réplicants recombinés avec des gènes de pathogènes Génétique inverse … Réasssortants: Ex du vaccin rotavirus ou on mélange des segments génétiques de la souche bovine naturellement atténuée pour l’homme à un segment de la souche bovine qui permet l’induction d’AC neutralisants. On obtient un hybride des deux virus Génétique inverse Ex du VRS : on peut faire des mutations dans le génome pour atténuer le virus Particules défectives sans génome : ex du vaccin papillome Plasmide ADN : résultats peu impressionnants jusqu’à maintenant mais ils ont l’intérêt d ’induire un priming et d’orienter la réponse vers une immunité Th1. Cela peut être intéressant chez le nouveau-né Génétique inverse : on étudie le génome complet d’une bactérie (application surtout aux bactéries) pour trouver des antigènes immunogènes qui étainet inconnus jusqu’à maintenant. C’est le cas par exemple du vaccin méningo B. On identifie les régions du génome pouvant coder pour des antigènes de surface. On exprime en protéines dans E coli, on immunise des souris pour voir si cela marche. On prend les Ac des souris et on confirme que ces AC sont dirigés contre des ag de surface. On teste les antisérums pour l’activité bactéricide. On vérifie que l’ag est conservé parmi les souches Novartis a per exemple quelques candidats pour le vaccin méningo B

Production du Vaccin grippe atténué par réassortiment Virus sauvage recommandé Souche atténuée “Master Donor” HA NA Passage à 25°C en présence d’antisérum spécifique du MDV PB2 PB1 PA NP M NS 1) Co-Infection 2) Sélection Virus vivant atténué (6:2) réassortant portant l’HA et NA recommandés

Réponse primaire à une infection Cellules cytotoxiques CD8+ Charge virale AC neutralisants

Réponse secondaire AC neutralisants Charge virale CTL CD8+

Que se passe-t-il après l’injection vaccinale? HLA de classe II +peptide AgHBs peptides Ag HBs Cellule dendritique ou macrophage 2-transport de l’Ag Ganglion afferent B7- CD28 classe I 1–Capture de l’Ag Après contact avec l’Ag, l’APC passe du stade naif au stade effecteur L’ag est transporté aux ganglions et dans la rate par les cellules dendritiques Migration des cellules dendritiques–Ag : Vaccins non vivants : vers les ganglions de drainage Vaccins vivants : diffusion par voie vasculaire réplication, dissémination

Que se passe-t-il après l’injection vaccinale? Cellule T CD4+ T CD8+ CMH de classe II +peptide AgHBs peptides Ag HBs Macrophage ou Cellule dendritique 2-transport de l’Ag Ganglion afférent B7- CD28 classe I 1–Capture de l’Ag Les cellules dendritiques interagissent avec les lymphocytes CD4+, les lymphocytes CD8+, les lymphocytes B spécificiques de l’ag (grâce à des récepteurs de surface) 3- activation et prolifération lymphocytes T et B Cellule B

Chaque lymphocyte T ou B a une spécificité restreinte à un seul déterminant antigénique Après contact avec l’ag, il passe du stade naif au stade effecteur Les lymphocytes B se multiplient , se différencient en plasmoblastes et en plasmocytes

Lyse des hépatocytes infectés contrôle de la réplication virale Cellule T CD4+ T CD8+ CMH de classe II +peptide Cellule B Lyse des hépatocytes infectés et contrôle de la réplication virale TNFa et IFNg AgHBs Anticorps Th1: IL-2 et IFNg peptides Ag HBs ou HBV Macrophage ou Cellule dendritique 4-Fonctions effectrices Sécretion cytokines Activation et multiplication des cellules B 5-migration T CD8+ effectrices Ganglion afférent Th2: IL-4, IL-5, IL-6 B7- CD28 classe I HBV Plasmocytes Ensemble maturation-migration-différenciation: 10-21 jours

Cas particuliers Vaccins vivants (rougeole, rubéole..) diffusion par voie vasculaire, Réplication Induction des réponses immunes dans l’ensemble des ganglions Vaccins polysaccharidiques (pneumo, méningo) Activent directement et uniquement les lymphos B Réponse AC non soutenue par les CD4+ Pas de mémoire

Protection vaccinale Anticorps +++ Cellules cytotoxiques CD8+ Élimination des germes extracellulaires, réduction de la charge bactérienne Cellules cytotoxiques CD8+ Élimination des germes intracelluaires Cellules CD4+ Soutien aux cellules B mémoire Cytokines Presque tous les vaccins actuels reposent sur les AC sériques ou muqueux qui bloquent la virémie ou la bactérièmie, les toxines ou la réplication locale de virus sur les muqueuses comme dans le cas de la grippe La seul exception ou les AC n’ont pas un grand rôle est le tuberculose Je ne veux pas dire que l’immunité cellulaire n’est pas importante mais seule elle est insufisante Elle peut détruire les cellules infectées et maintenir l’infection latente

Mécanismes protecteurs selon le type de vaccins Vivants Polio oral, ROR, f. jaune Varicelle BCG AC neutralisants + lymphos CD4+ et CD8+ AC neutralisants + lymphos CD4+ etCD8+ Lymphocytes CD4+ Inactivés Coqueluche Vaccin polio entier Hépatite A AC neutralisants + lymphos CD4+ AC neutralisants Toxoides Tétanos et diphtérie Sous-unités Hépatite B Coqueluche acellulaire Grippe AC neutralisants + lymphos mémoire AC neutralisants + lymphos CD4+ effecteurs Polysaccharides Pneumocoque Méningocoque AC opsonisants anti capsule Glycoconjugués Hib conjugué Pneumo conjugué Méningo conjugué AC opsonisants + mémoire AC opsoniants + mémoire C A Siegrist, Immunologie des vaccinations, Vaccinations,2008

Principales fonctions des anticorps Neutralisation Opsonisation cellule NK : ADCC neutralisation cytotoxicité lyse Neutralisation intra-cellualire : IgAS

Fonction des cellules cytotoxiques Lymphocytes T CD8+: Effecteurs majeurs de la Réponse anti-virale

L’intensité de la réponse anticorps primaire Est fonction de : Du type de vaccins De l’âge : les nourrissons et personnes âgées sont plus difficiles à vacciner Du nombre d’injections, De l’espacement des doses De l’état immunitaire

La durée de la réponse primaire Elle est médiée par les plasmocytes de la moëlle osseuse Production d’AC durant des mois ou des années Nombre de cellules ne se multiplie pas mais se maintient

Réponse AC chez le nourrisson Les cellules dendritiques ne sont pas matures Les AC maternels gênent la réponse AC de novo Les cellules B ne répondent contre les polysaccharides avant l’âge de 2 ans Plus on commence tôt plus, il faut de doses Ex HIB : 2 mois : 4 doses 12-14 mois : 2 doses > 2ans : 1 dose

Réponse AC chez le sujet âgé Chez la personne âgée, les capacités opsonisantes deviennent moindres Les caractéristiques fonctionnelles des AC sont aussi importantes que leur quantité

Mémoire immunitaire Médiée par les cellules B mémoire (et les cellules CD4+) Résident dans les ganglions périphériques pendant des dizaines d’années Sont réactivées en quelques jours en cas de contact avec l’Ag ou de rappel

L’intérêt des rappels Exemple de la vaccination anti méningocoque B chez l’adolescent en Norvège Schéma vaccinal: - 3 doses à 6 semaines d’intervalle - rappel 1 an plus tard MGT des anticorps après dose 3 un rappel 4 Feiring B, Clin Vaccine Immunol 2006; 113: 790-6

L’immunité collective ou « herd immunity » Augmente « l’efficacité sur le terrain » Cas des vaccins qui diminuent le portage chez les vaccinés Réduction de la transmission Réduction annuelle des infections invasives à pneumocoques de 1998 à 2005 Enfant <5 ans Adulte > 35 ans

Impact du programme de vaccination contre le méningocoque C en Angleterre Nombre de cas confirmés de méningites dues à N. meningitis du sérogroupe C Trotter et al. Lancet 2004 28

Adjuvants « ad juvare » « Substance immunostimulante capable de d’améliorer l’intensité, la durée et/ou la maturation de la réponse immune » Utilisés depuis 1926 (Ramon, anatoxines) Mode d’action : effet dépôt : lent relarguage de l’ag au point d’injection Induction d’un environnement proinflammatoire (recrute les CPA) Oriente vers une réponse humorale et/ou cellulaire Indispensables pour les vaccins inertes

Adjuvants Alum , hydroxide ou phospate d’aluminium Principal d’adjuvant en vaccinologie humaine Mais : Seulement efficace sur la réponse humorale et polarisation vers réponse Th2 Non biodégradable Nouveaux adjuvants nécessaires CPG : stimule les toll like recepteurs

Conclusion La connaissance de l’immunologie a permis de comprendre ce qui soutient ou limite l’efficacité vaccinale et d’optimiser les nouveaux vaccins De nombreux défis persistent ! Comment prolonger la mémoire immunitaire par la vaccination ? Centrale Effectrice Comment pallier à l’immaturité et au vieillissement du système immunitaire ? Comment protéger contre des infections chroniques ? Comment produire des antigènes conservés pour pallier à la variabilité de certains agents (VIH, grippe..) ?