Superior immune responses induced by intranasal immunization with recombinant adenovirus-based vaccine expressing full-length Spike protein of Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus

Abstract

Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) causes an acute and severe lower respiratory illness as well as vomiting, diarrhea, and renal failure. Because no licensed MERS-CoV vaccines are currently available, preventive and therapeutic measures are urgently needed. The surface spike (S) glycoprotein of MERS-CoV, which binds to the cellular receptor dipeptidyl peptidase 4 (DPP4), is considered as a major target for MERS-CoV vaccine development. In order to find the best vaccine candidates for MERS-CoV, recombinant replication-deficient adenovirus-based vaccines expressing the N-terminal domain (rAd/NTD), receptor-binding domain (rAd/RBD) of the MERS-CoV S1 subunit, and full-length Spike protein (rAd/Spike) were designed. This study showed that immunization with candidate vaccines via intranasal route induced S1-specific IgG antibodies and neutralizing antibodies against MERS spike pseudotyped virus. Especially, rAd/Spike induced the highest neutralizing antibody titer and the strongest cytokine-induced T cell responses among the three candidate vaccines. To compare the immune responses induced by different administration routes, rAd/Spike was administered via intranasal, sublingual, or intramuscular route. All these administration routes exhibited neutralizing effects in the serum. MERS-CoV-specific neutralizing IgA antibodies in the bronchoalveolar lavage fluid were only induced by intranasal and sublingual administration but not by intramuscular administration. Intranasal administration with rAd/Spike also created resident memory CD8 T cells in the airway and lung parenchyma. Taken together, these results showed that both the humoral and cellular immune responses are highly induced by rAd/Spike administration, suggesting that rAd/Spike may confer protection against MERS-CoV infection.;중동호흡기증후군 (Middle East respiratory syndrome; MERS; 메르스)은 중동호흡기증후군 코로나바이러스 (MERS-CoV; 메르스 바이러스)에 의한 호흡기 감염증으로, 주 증상은 발열, 기침, 호흡곤란이며, 이 외에도 환자에 따라 두통, 구토, 복통, 설사 등 다양한 증상을 보인다. 증상이 없는 감염자도 있으나 기저질환이 있는 감염자에게서 증후가 더 심하게 나타나며, 호흡부전, 패혈성 쇼크 등이 합병증으로 나타나기도 하고 신부전을 동반하는 급성신부전 사례가 보고되고 있다. 2012년 사우디아라비아에서 최초 발생 보고가 있었으며, 첫 환자 발생 이후 현재까지 전 세계 메르스 감염자수는 2,428명에 이르고, 이중 838명이 사망하였다. 메르스는 아라비아반도와 주변 지역뿐만 아니라 현재까지 27개국에 유입되었다고 보고되었으며, 국내에서는 2015년에 크게 유행한 바 있다. 하지만 현재 전 세계적으로도 임상을 마치고 허가 받은 백신 및 특이 치료제가 개발되어있지 않아 신속생산이 가능하고 예방효과가 뛰어난 백신 개발이 반드시 필요한 상황이다. 메르스 바이러스는 표면의 Spike 단백질을 S1과 S2 부위로 구성되어있으며, S1 부위는 N-terminal domain (NTD)과 receptor binding domain (RBD)으로 구성되어있다. 특히, RBD는 사람의 DPP4 (Dipeptidyl peptidase 4) 수용체에 결합하여 세포 내 침투가 이루어지는 것으로 알려져 있어 이를 타겟으로 다양한 백신 개발이 이루어지고 있다. 이에 본 학위논문에서는 최적의 중화항원이라고 알려진 RBD 부위를 tandem repeat multimer 기술을 융합하여 2개 혹은 3개가 반복하여 발현하는 재조합 아데노바이러스 기반 MERS-CoV 백신 후보물질들을 제작하였고, Spike 전장을 발현하는 재조합 아데노바이러스 기반 백신후보물질과 함께 면역원성 및 중화효능을 비교 평가하였다. 비강 경로를 통해 3회 반복투여 후 얻은 혈청 및 기관지 폐포 세척액 (BALF) 내 존재하는 RBD 특이적인 IgG 항체와 IgA 항체 반응은 rAd/2XRBD, rAd/3XRBD에 비해 rAd/1XRBD가 더 우세하게 유도되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 rAd/Spike를 면역화 한 그룹에서 중화 항체능이 가장 우세한 것을 확인할 수 있었다. NTD 부위에 의한 중화항체 유도가 가능하다는 연구 결과도 보고된 바 있어, Spike 단백질의 부위에 따라 유도되는 중화 항체능을 평가하고자 NTD 부위를 발현하는 재조합 아데노바이러스를 제작하였으며, rAd/NTD, rAd/RBD 및 rAd/Spike 백신후보물질들에 의해 유도되는 체액 및 세포 면역반응을 비교 평가하였다. 그 결과, rAd/RBD에 비해 rAd/NTD를 면역화할 경우, 항원 특이적인 IgG 항체 및 IgA 항체가 더 우세하게 유도되었으며, 특히 rAd/Spike 면역화 할 경우 혈청 및 기관지 폐포 세척액 내의 중화항체효능이 가장 우세한 것을 확인할 수 있었다. 또한 rAd/Spike를 비강 경로로 투여할 경우, 재감염에 중요한 역할을 할 수 있는 조직 상주 기억 CD8+ T 세포가 폐에 존재하는 것을 확인함으로써 MERS-CoV에 대해 가장 효과적인 백신물질의 가능성을 제시한다.