A highly protective Streptococcus pneumoniae vaccine candidate based on pilus proteins

Streptococcus pneumoniae is one of the most important human pathogens and a major cause of morbidity and mortality worldwide, causing several pathologies including pneumonia, meningitis, sepsis, otitis media, sinusitis and bronchitis. Pneumococcal infection can be treated with antibiotics such as penicillin and erythromicin, however the increase of strains resistant to these antibiotics hampers the disease treatment. The current 23-valent polisaccharide vaccine is not effective in children under 2 years of age, while the 7- and 13-valent conjugates are effective but only against the included serotypes, which in the long term may be replaced by serotypes not included in the vaccine (serotype replacement). New strategies for the development of pneumococcal vaccine should include surface protein antigens that may provide a broad range of coverage against the >90 pneumococcal serotypes. The discovery that S. pneumoniae isolates possess pili, reported to influence virulence and elicit host inflammatory responses, led us to investigate their potential use as a protein vaccine candidate. The three pilus subunits (RrgA, RrgB, RrgC) were expressed in E. coli and purified, and were found to be highly immunogenic in mice. The pilus subunits were then found to exert protective efficacy in mouse models of sepsis (intravenous or intraperitoneal challenge), with RrgB affording the best protective efficacy overall. However, RrgB exists in three different variants (clade I, II, and III), with limited protein sequence identity and scarce cross-immunoreactivity. Recombinant RrgB belonging to each of the three clades were expressed and purified, and tested for cross-protective ability. In particular, the absence of cross-protective ability between clade I and II was observed. Thus, fusion proteins encompassing the three clades in different order were designed, expressed in E. coli and purified. Among the RrgB fusion proteins, RrgB321 was selected as the best candidate, mainly because it was better expressed and purified than the other fusion proteins. RrgB321 fusion protein was found to be highly protective against each of the three S. pneumoniae strains representative of each of the RrgB clades. The high protective efficacy of RrgB321 makes it a good vaccine candidate against piliated S. pneumoniae strains. RrgB321 can also be proposed as part of a multi-component vaccine against S. pneumoniae

Streptococcus pneumoniae è uno dei principali patogeni umani e rappresenta una delle maggiori cause di morbilità e mortalità in tutto il mondo. È infatti responsabile di molte patologie fra cui polmonite, meningite, sepsi, otite media, sinusite e bronchite. L’infezione da pneumococco può essere trattata con antibiotici come la penicillina e l’eritromicina; tuttavia l’aumento di ceppi resistenti a questi antibiotici ostacola gravemente il trattamento della malattia. Il vaccino polisaccaridico 23-valente attualmente in commercio non è efficace nei bambini sotto i 2 anni di età, mentre i vaccini coniugati 7- e 13-valente sono efficaci, ma solamente contro i sierotipi inclusi all’interno del vaccino stesso, il che può dar luogo, a lungo termine, al fenomeno noto come serotype replacement da parte dei sierotipi non inclusi. Nuove strategie per lo sviluppo di un vaccino contro lo pneumococco dovrebbero rivolgersi all’utilizzo di antigeni proteici, esposti superficialmente, in grado di fornire una copertura ad ampio raggio contro i >90 sierotipi circolanti. La scoperta che S. pneumoniae possiede pili in grado di influenzare la virulenza e di stimolare una risposta infiammatoria, ci ha spinto a studiare il loro potenziale utilizzo come vaccino proteico. Le tre subunità del pilo (RrgA, RrgB, RrgC) sono state espresse in E. coli e purificate, e si sono dimostrate altamente immuniogeniche nel topo. È stato quindi osservato che le subunità del pilo hanno efficacia protettiva in modelli murini di sepsi (infezione intraperitoneale o endovenosa). Nel complesso, RrgB è risultata la più efficace fra le tre subunità. RrgB tuttavia esiste in tre diverse varianti (clade I, II and III) con una limitata identità di sequnza amminoacidica e scarsa cross-immunoreattività. Sono state perciò espresse e purificate le RrgB ricombinanti appartenenti a ciascuna delle tre clade ed è stata analizzata la loro capacità cross-protettiva. In particolare è stata osservata la mancanza di cross-protezione fra clade I e II. Pertanto sono state progettate delle proteine di fusione contenenti le tre clade in differente ordine, quindi espresse in E. coli e purificate. La proteina di fusione RrgB321 è stata selezionata perchè meglio espressa e purificata rispetto alle altre proteine di fusione. RrgB321 è risultata altamente protettiva contro i tre ceppi di pneumococco rappresentativi delle tre varianti di RrgB. L’elevata efficacia protettiva della proteina di fusione RrgB321 la rende una buona candidata come vaccino contro ceppi piliati di S. pneumoniae. RrgB può anche essere proposta come parte di un vaccino multi-componente contro S. pneumoniae