인플루엔자 백신 면역 반응에 고혈당 및 단일 가닥 RNA 면역증강제가 미치는 영향

Abstract

백신은 체내에 항원을 주입하여 병원체에 대한 면역을 유도한다. 주입된 항원은 적응 면역계를 자극하여 기억 면역을 형성하게 되고, 추후 병원체에 노출되었을 때 신속하고 강한 면역 반응이 유도된다. 현재 백신의 개발로 인해 코로나바이러스, 인플루엔자 바이러스 등 약 40개의 병원체에 대한 감염 예방이 가능하다. 실제 백신으로 매년 약 600만 건의 예방 가능한 질병에 의한 사망을 예방한 것으로 추정되고 있다. 하지만 백신에 대한 개인의 면역 반응 차이가 나타나기 때문에 효과적인 보호 효과를 유도하기 위해선 상황에 따라 상이한 백신 전략이 필요하다. 특히 신생아나 노인의 경우 면역 세포의 미성숙과 면역 노화로 인해 백신에 대한 면역 반응이 불완전하게 나타난다. 이 현상을 극복하기 위해 사용되는 백신 보조제로 면역증강제가 있다. 인체에서 효과적이고 안전성이 보장된 면역증강제의 개발을 위해 수십 년간 연구가 진행되고 있다. 제1형 당뇨병은 고혈당을 포함한 여러 합병증을 동반하는 자가면역 질환이다. 제1형 당뇨병 환자의 경우 인플루엔자 감염에 대해 높은 중증 확률과 사망률을 갖는다. 여러 연구에 의하면 인플루엔자 백신은 당뇨병 환자에서 인플루엔자 감염에 대한 임상적 예후를 개선해 주기 때문에 당뇨병 환자들에게 인플루엔자 예방 접종을 권고하고 있다. 하지만 고혈당이 인플루엔자 백신에 의한 면역 반응에 미치는 영향에 대해 엇갈린 논점들이 이어져 왔다. 본 연구에서는 제1형 당뇨병 모델인 NOD 마우스를 사용하여 고혈당이 인플루엔자 면역 반응에 미치는 영향에 대해 알아보았다. NOD 마우스에 인플루엔자 백신 면역 후 혈청 항체가, 비장 세포 내 아집단, 골수 세포 내 형질세포를 분석하였다. 그 결과 고혈당 환경이 체액성 면역 반응에 미치는 영향은 미미하지만, 세포성 면역 반응을 감소시켰다. 인플루엔자 백신 접종 후 마우스 비장의 CD4+와 CD8+ T 세포의 CD69+ 활성 표지자의 발현이 전당뇨 마우스에 비해 당뇨 마우스에서 감소하였고, 비장에서 인플루엔자 특이 IFN-γ 분비 세포 또한 감소하였다. 추가로 당뇨 마우스에서 인플루엔자 백신 반응에 대한 중심 기억 T 세포와 효과 기억 T 세포도 감소한 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 고혈당이 인플루엔자 백신 면역 반응에 대한 세포성 면역 반응을 감소시킨다는 것을 규명하였고, 고혈당이 동반된 제1형 당뇨병 환자들에게 인플루엔자 백신에 대해 새로운 접종 전략의 필요성을 제시하였다. 알루미늄염 (Alum)을 시작으로 현재 약 5종류의 면역증강제가 인체용 백신의 사용되고 있다. 비록 FDA의 승인을 받았더라도 대부분의 면역증강제들은 Th1 또는 Th2에 편향된 면역 반응을 유도하고 안전성 또한 불확실하다. 이를 보완하기 위한 여러 면역증강제 개발이 이루어지고 있고 그 중 단일 가닥 RNA를 기반으로 한 면역증강제가 있다. 이 중에서도 뇌심근염 바이러스의(Encephalomyocarditis; EMCV) 내부 리보솜 진입 부위(Internal ribosome entry site; IRES) 유래 단일 가닥 RNA를 기반으로 한 면역증강제의 체액성 면역 증대 효과에 대해 더 알아보고자 하였다. 그 결과. 단일 가닥 RNA 면역증강제가 B 세포의 MDA-5 및 RIG-I 선천 면역 경로를 자극하였고, 체외 및 체내에서 B 세포의 활성 표지자들의 발현을 증가시켰다. 또한 배수림프절 내 배중심 반응에 관여하는 배중심 B 세포와 기억 B 세포의 증식과 항원 특이성을 증가시켰다. 단일 가닥 RNA 면역증강제는 골수에 상주하는 항원 특이 항체 분비 세포를 증가시켰으며, 장기적인 효과 또한 나타냈다. 단일 가닥 RNA 면역증강제의 체액성 면역 반응 증대 효과를 alum과 비교한 결과, 단일 가닥 RNA 면역증강제가 alum 대비 더 높은 친화력의 항체를 유도하였고 골수 내 형질세포의 비중도 더 증가시켰다. 마지막으로, 현재 상용되고 있는 인플루엔자 백신에서 단일 가닥 RNA 면역증강제의 체액성 면역 증대 효과를 분석하기 위해 첫 번째 면역 후 20 주차에 면역 반응을 확인하였다. 그 결과 단일 가닥 RNA 면역증강제가 혈청 내 인플루엔자 백신 특이 항체와 골수 내 인플루엔자 백신 특이 항체 생성 세포의 수를 증가시켰다. 결과들에 의하면 EMCV-IRES 기반 단일 가닥 RNA 면역증강제는 배수림프절 내 배중심 반응을 확장하고, 골수 내 항원 특이 형질세포 증대 효과 또한 관찰되었다. 결론적으로 본 연구에서는 고혈당이 인플루엔자 백신 면역 반응에 대한 세포성 면역 반응을 감소시킨다는 점과 단일 가닥 RNA가 인플루엔자 백신 면역 반응에 대한 체액성 면역 반응의 지속력을 증가시킨다는 것을 규명하였다. 더 나아가 고혈당과 단일 가닥 RNA가 면역세포의 활성화에 미치는 영향에 대한 단백질 및 전사체 분석이 필요하다. 추가로 고혈당 마우스에서 나타나는 T 세포의 기능 저하를 정상화하는 방법에 대한 모색도 필요하다. 단일 가닥 RNA의 경우 해당 면역증강제가 면역력이 저하되어 있는 영유아의 면역 반응을 증가시킬 수 있는지에 대한 추가 연구가 필요하다.;Vaccines are designed to induce protective immunity against pathogens by exposing the immune system to specific antigens. Exposed antigens stimulate the adaptive immune system, forming immunological memory that enables rapid and robust responses upon subsequent antigen exposures. Currently, there are 40 vaccine-preventable diseases, including influenza and COVID-19. It is estimated that vaccination prevents approximately 6 million deaths annually. However, immune responses upon vaccination vary among individuals, showing the need for different vaccination strategy. For instance, neonates exhibit suboptimal immune response due to immune immaturity and elderly exhibit suboptimal immune response due to immunosenescence. To overcome such challenge, vaccine adjuvants are used to enhance vaccine-induced immunity. Efforts to develop safe and effective vaccine adjuvants have been dedicated for years. Type 1 diabetes (T1D) is an autoimmune disease followed by hyperglycemia and various health complications. Patients with T1D have higher risk of severe illness and mortality from influenza infection. Therefore, vaccination against influenza virus is highly recommended for diabetic patients, as it improves clinical outcomes following influenza infection. However, the effect of hyperglycemia on influenza vaccine-induced immune response remains unclear. In this study, we investigated the effect of hyperglycemia on influenza vaccine immune response using a T1D mouse model. Hyperglycemic mice were immunized with influenza vaccine and adaptive immune responses were assessed by analyzing serum antibody titer, splenocytes and bone marrow cells. As a result, hyperglycemia had minimal effect on humoral immune response, while hyperglycemia significantly altered the cellular immune response. Diabetic mice exhibited reduced CD4+ and CD8+ activation upon vaccine restimulation compared to prediabetic mice. In addition, hyperglycemia decreased the number of vaccine-specific IFN-γ secreting splenocytes. Notably, both effector memory T cell and central memory T cells were reduced in diabetic mice following influenza vaccination compared to prediabetic controls. Taken together, this study highlights the need for alternative influenza vaccine strategies to normalize reduced T cell response in diabetic condition. Currently five commercially available adjuvants, including alum, are widely used. However, limitations such as biased Th1 or Th2 immune responses and uncertain safety profiles necessitate the development of new adjuvants. Here, we focused on investigating the ability of an encephalomyocarditis (EMCV)- internal ribosome entry site based (IRES) ssRNA adjuvant to enhance the humoral immune response. The effect of ssRNA adjuvant on B cells, the germinal center response in the draining lymph node and bone marrow plasma cells were assessed. The results showed that the ssRNA adjuvant activated RIG-I and MDA-5 innate signaling pathways in B cells and upregulated CD69+ and CD86+ activation markers on splenic B cells both in vitro and in vivo. Additionally, the ssRNA adjuvant significantly increased antigen-specific antibody levels in the serum after three immunizations. Of note, it induced the expansion of germinal center B cells and memory B cells with enhanced antigen specificity. Also, the ssRNA adjuvant elevated the number of antigen-specific antibody secreting cells in the bone marrow on days 35 and 70, post priming. Furthermore, we compared the ssRNA adjuvant with commercially used adjuvant, alum. As a result, ssRNA adjuvant elicited superior humoral immune response compared by enhancing IgG2a production and generating antibodies with higher affinity. In addition, flow cytometry analysis of bone marrow cells indicated higher CD19-/CD19+ CD138+ plasma cell proportion when antigen was administered with the ssRNA adjuvant, compared to alum. Finally, ssRNA adjuvant enhanced and sustained immune response to influenza vaccine, resulting in prolonged vaccine specific antibody production in the serum and increased vaccine specific plasma cells in the bone marrow. These findings suggest that the EMCV-IRES based ssRNA adjuvant effectively enhances the magnitude and the longevity of humoral immune response. In conclusion, this study elucidated the impaired T cell-mediated immune response to influenza vaccine in hyperglycemic T1D mice and the potent adjuvant effects of ssRNA on humoral immune response. For further investigation, transcriptome and molecular analysis to investigate the interaction between hyperglycemia and T cell is needed. Also, further research in required to determine whether EMCV-IRES ssRNA adjuvant exhibits similar efficacy in neonates and elderly.