På vej mod en universel influenzavaccine

Influenzavacciner kan være svære at sælge til offentligheden. Selv en almindelig influenzainfektion kan være invaliderende for ellers raske mennesker og dødbringende for ældre eller svage personer, så vaccinationer er vigtige. Problemet er, at influenzavacciner giver uensartede resultater. “I en god sæson er vi oppe på 60 % effektivitet, men i dårlige år, hvor vaccinen ikke er tilpasset, kan den være så lav som 10 % eller 20 %”, siger Barney Graham, vicedirektør for Vaccine Research Center ved US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) i Bethesda, Maryland.

De nuværende influenzavacciner giver kun beskyttelse mod de stammer, som de er tilpasset, så en “universel” influenzavaccine, der giver en bredere beskyttelse mod de fleste influenzavirus, har længe været en drøm. Svineinfluenzapandemien i 2009, som overraskede folkesundhedssamfundet og kostede op mod en halv million mennesker livet på verdensplan, gav spørgsmålet en ny aktualitet.

“Pandemien i 2009 gjorde det tydeligt og klart, at vi ikke havde gode nok løsninger til influenzavacciner”, siger Graham. “Vi kendte viruset, men vi var ikke i stand til at fremstille vaccine nok hurtigt nok.” En mere effektiv fremstilling er en løsning, men en enkelt vaccination, der beskytter mod både sæsonbestemte og nye stammer, ville have langt større effekt.

Gheldigvis faldt tidspunktet for pandemien sammen med store fremskridt i udviklingen af teknologier til undersøgelse af den menneskelige reaktion på influenza. “Omkring 2008 eller 2009 begyndte man at finde nogle få bredt neutraliserende antistoffer mod influenzaviruset”, siger Ian Wilson, der er strukturbiolog med speciale i udvikling af vacciner ved Scripps Research Institute i La Jolla i Californien. “Da folk først begyndte at lede, blev der opdaget mange flere.”

Nu, omkring 100 år efter den “spanske influenzapandemi” i 1918, der dræbte omkring 50 millioner mennesker, viser flere universelle vaccineprogrammer sig lovende i både præklinisk og klinisk afprøvning. Men det er endnu uvist, om nogen af dem i sidste ende vil give den brede beskyttelse, som klinikerne søger.

En variabel virus

Peter Palese, mikrobiolog ved Icahn School of Medicine at Mount Sinai i New York City, mener, at nutidens influenzavacciner bliver kritiseret alt for meget. “De er ret gode vacciner, men de er ikke perfekte”, siger han. Det største problem, tilføjer han, er, at de fremkalder et fokuseret immunrespons mod et bevægeligt mål.

Mennesker rammes af to hovedtyper af influenza. Influenza A og B kan begge bidrage til den sæsonbestemte influenza, men nogle influenza A-subtyper inficerer fortrinsvis dyreværter. Nogle gange får disse undertyper pludselig evnen til at inficere mennesker, hvilket fører til pandemier som f.eks. den i 2009. Hvert år er den sæsonbestemte influenzavaccine designet til at dække to stammer af influenza A og B hver, baseret på folkesundhedssamfundets bedst informerede gæt om, hvilke stammer der vil være dominerende det pågældende år.

Alle influenzavirus er fyldt med hundredvis af molekylære strukturer, der er dannet af et multifunktionelt protein kaldet hæmagglutinin. Hæmagglutininin hjælper viruset med at binde sig til og trænge ind i værtsceller. Det består af et tykt hoved, der er fastgjort til virussen ved hjælp af en slank stilk. Det meste af immunresponset er rettet mod hovedet, fordi det er meget eksponeret, men der er også tegn på, at hovedet indeholder egenskaber, der fortrinsvis fremkalder et stærkt antistofrespons. “Der er strukturerede sløjfer, og antistoffer kan let genkende sløjfer, der stikker ud på den måde”, forklarer James Crowe, direktør for Vanderbilt Vaccine Center i Nashville, Tennessee. Desværre er disse immunodominante elementer også meget variable fra stamme til stamme.

Influenza A-virus er særligt forskellige. De klassificeres efter numre baseret på subtypen af hæmagglutinin (H)-protein og et andet viralt protein kendt som neuraminidase (N), og der observeres endnu større stammevariation blandt disse subtyper. Pandemien i 2009 opstod f.eks. på grund af en ny stamme af H1N1-subtypen. Omfanget af hæmagglutinininvariationen betyder, at dårlig udvælgelse af stammer kan gøre modtagerne stort set ubeskyttede – og selv en god vaccine giver kun begrænset beskyttelse mod fremtidige stammer. “Om to år kan virussen ændre sig igen, så vi kan blive smittet igen og få sygdom,” siger Palese.

Den omstændighed, at vores immunsystem er stærkt præget af de tidligste møder med influenza gennem et fænomen, der kaldes prægning – eller, som det er blevet kaldt, “oprindelig antigenisk synd” – gør det endnu mere kompliceret at finde en universel influenzavaccine. Det betyder, at individer har et stærkt antistofrespons over for virus med molekylære træk, der er fælles med den stamme, de mødte ved deres første eksponering, men at de i princippet starter forfra, når de for første gang udsættes for fjernt beslægtede stammer. “Det er ikke sådan, at man ikke kan se den anden virus – det er bare som om, man er en baby, og man ser den for første gang,” siger Crowe.

Imprinting er et tveægget sværd, fordi tidlig eksponering for den rigtige stamme teoretisk set kunne give en vidtrækkende og kraftig beskyttelse som reaktion på vaccination. Men hvis et barns første møde med influenza er med en forholdsvis usædvanlig eller atypisk stamme, kan vaccinationen vise sig at være mindre effektiv med hensyn til at vække en bredt beskyttende immunitet.

Stilke stabilitet

En vaccine, der fokuserer immunresponset på et mere stabilt mål på viruset, kunne overvinde problemet med viral diversitet. Forskere har vidst, at der har eksisteret sådanne mål i årtier. I 1983 fastslog Palese og hans kolleger, at hæmagglutininin-stængeldomænet er så ens mellem stammerne, at antistoffer kan genkende specifikke fysiske træk, såkaldte epitoper, af hæmagglutininproteiner fra flere influenzasubtyper. Desværre er stængelen noget af en immunologisk hængekøje, der overskygges af hovedets indflydelse. “Vi har konstrueret epitoper i stilken og de samme epitoper i hovedet, og vi får en meget bedre reaktion på epitoper i hovedet”, siger Palese. Men immunitet kan stadig opstå naturligt i nogle tilfælde, og en række stængelspecifikke antistoffer blev isoleret fra menneskelige donorer i 2008 og 2009.

For nylig har flere forskningsgrupper udtænkt flere vaccinstrategier til selektivt at fremkalde et stamspecifikt respons. Grahams hold ved NIAID har f.eks. iværksat en omhyggelig proces med proteinmanipulation af en selvstændig version af stammen fra en H1-influenzavirus. “Det tog os omkring syv eller otte år at konstruere den og stabilisere den tilstrækkeligt til at bevare de rigtige overflader og strukturer”, siger Graham. Forskerne skabte efterfølgende nanopartikler med flere kopier af disse manipulerede stammer og viste1, at disse kunne skabe en stærk beskyttelse mod helt andre subtyper af influenza A, såsom H5 – i hvert fald i dyremodeller. Dette vaccine-design er nu i gang med et klinisk forsøg i fase I og kunne i princippet give beskyttelse mod mange af de mest fremtrædende pandemiske virussubtyper. En nyere hæmagglutininin-stamkonstruktion, der er udviklet af NIAID, kunne føre til endnu bredere beskyttelse mod de resterende subtyper.

Palese og Florian Krammer, en virolog, der også arbejder på Mount Sinai, har udviklet en alternativ tilgang til stimulering af stamspecifik immunitet. De har genereret flere influenzavirus med chimaeriske hæmagglutininproteiner, hvor det samme stængeldomæne er parret med forskellige eksotiske hoveddomæner fra virussubtyper, der primært inficerer fugle og derfor sandsynligvis ikke vil udløse et prægningsbaseret respons hos mennesker. “Hvis man derefter revaccinerer med en vaccine, der har den samme stilk, men et helt andet hoved, kan immunhukommelsen mod stilken forstærkes,” forklarer Krammer.

Denne fremgangsmåde anvender hele viruspartiklen, hvilket giver mulighed for at fremkalde parallel immungenkendelse af andre influenza-antigener. På grundlag af lovende beviser for krydsbeskyttelse mod forskellige influenza A-subtyper hos dyr er Mount Sinai-holdet nu i gang med fase I-forsøg for at undersøge vaccinens sikkerhed og effektivitet hos mennesker.

Gemeldte svagheder

Ispireret af opdagelsen af krydsbeskyttende antistoffer mod stilk i naturen har flere forskergrupper kastet nettet bredere ud for at finde flere sådanne molekyler. “Vi bruger alle slags donorer – folk, der er aktivt syge, folk, der er kommet sig efter fugleinfluenza, eller vi tager til andre lande for at finde donorer, der har været udsat for usædvanlige stammer”, siger Crowe. Efter at have isoleret de antistofproducerende B-celler fra disse personer kan forskerne udarbejde en omfattende profil af de specifikke influenzamål, der udløser et naturligt immunrespons, og identificere antistoffer, der kan have brede infektionsneutraliserende egenskaber.

Disse undersøgelser har afsløret, at selv i det variable hoveddomæne af hæmagglutininin er der strukturelle elementer, der er ens på tværs af influenzasubtyperne. I 2012 identificerede2 forskere fra Scripps og Janssens Crucell Vaccine Institute i Leiden, Nederlandene, et antistof kaldet CR9114, som udviste en hidtil uset genkendelsesbredde. “Det kunne faktisk binde sig til både influenza A og influenza B”, siger Wilson, som har været med til at karakterisere antistoffet. Dette antistof bruges nu til at identificere mål-epitoper på hæmagglutininin, som kan udnyttes til at opnå en vidtrækkende virusneutralisering med henblik på både forebyggelse og behandling.

I nogle tilfælde har disse søgninger afsløret uventede sårbarheder i viruset. Hæmagglutininin samles normalt i meget stabile komplekser af tre tæt koblede molekyler, men Crowe og Wilson opdagede3 i år, at disse trimere lejlighedsvis åbner sig for at afsløre et svagt punkt, som antistoffer kan binde sig til, hvilket potentielt kan modvirke infektion med en lang række influenza A-virus. “Denne trimergrænseflade er en helt ny universel influenzaepitop, og alle er helt vilde med den”, siger Crowe. “Det er ikke engang klart, hvordan det virker, men det virker helt klart hos dyr.”

Meget af variationen mellem influenzavirusene er kun hudløst dyb. Hvis man går dybere ned i viruspartiklen, finder man større lighed i de essentielle proteiner. Disse er uden for antistoffernes rækkevidde, men de kan genkendes af T-celler – et element i immunsystemet, der kan angribe og eliminere influenzainficerede celler, som præsenterer peptidsignaturer for deres virale indtrængere.

Selvfølgelig har antistoffer hidtil været vaccinesamfundets primære fokus, fordi de udgør en afgørende første forsvarslinje mod cirkulerende viruspartikler, men T-celler yder kritisk beskyttelse ved at dæmme op for infektionen, når den først er påbegyndt. “Folk bliver i gennemsnit udsat og smittet hvert andet eller tredje år”, siger Sarah Gilbert, der leder udviklingen af vacciner på Jenner Institute på University of Oxford i Storbritannien. “Langt de fleste af disse infektioner er enten asymptomatiske eller milde,” siger hun, “og grunden er, at folk har et T-celle-respons, der er stærkt nok til at beskytte dem.”

Generelt set kræver det at fremkalde et virkelig beskyttende T-cellrespons at genvække hukommelses-T-celler, der blev dannet i kølvandet på en tidligere eksponering. Gilberts hold bruger et forkrøblet vacciniavirus, der kan inficere menneskelige celler, og som syntetiserer to forskellige immunitetsstimulerende influenzaproteiner, men som ikke er i stand til at replikere yderligere. “Med en enkelt dosis så vi et boost i allerede eksisterende T-celle responser på mellem otte- og ti gange hos mennesker”, siger Gilbert. Hun tilføjer, at målproteinerne er 90 % identiske på tværs af influenza A-virus, hvilket giver mulighed for en bred beskyttelse mod pandemiske stammer.

Gilberts vaccine er undervejs i to fase II-forsøg under ledelse af Vaccitech, et selskab, som hun er medstifter af i Oxford. Et stærkt T-celle-respons synes også at bidrage til den tilsyneladende krydsbeskyttelse, der tilbydes af en replikationsdefekt influenzavaccine fra FluGen i Madison, Wisconsin, som har rapporteret om succes i et nyligt klinisk fase II-forsøg.

Trials and tribulations

Selv med flere lovende serier af forsøg på mennesker i gang, er vejen til klinikken stadig fyldt med vanskeligheder. Mus anvendes ofte til tidlige undersøgelser af den prækliniske udvikling af vacciner, men Palese påpeger, at de ikke er et naturligt reservoir for influenzavirus. Mange forskere går derfor hurtigt over til at bruge fritter til at teste deres vaccinekandidater, fordi de er bredt modtagelige for influenza og fysiologisk set minder mere om mennesker, idet fritter har et længere luftvejssystem end mus. Begge arter er imidlertid kortlivede, hvilket gør det vanskeligt at undersøge virkningerne af en vaccine over mange runder af influenzaeksponering.

Gilbert er begyndt at arbejde på grise i samarbejde med Pirbright Institute nær Woking i Det Forenede Kongerige. Denne langlivede dyreart kunne tjene både som et nyttigt forsøgsobjekt og som en vigtig modtager af vacciner. “Svins øvre luftveje ligner meget menneskets, og de har en tendens til at blive smittet med de samme vira”, siger hun. “Og der er behov for influenzavacciner til svin – H1N1-pandemivirussen fra 2009 menes at stamme fra svin.”

Krammer har også brugt grise som model, men siger, at deres store størrelse gør dem vanskelige at bruge rutinemæssigt i forskningen. Desuden er han tøvende med at drage for mange konklusioner fra en dyremodel: “Man kan bruge dem til at udvælge kandidater og til at undersøge sikkerheden, men med universelle influenzavacciner er den ultimative dyremodel Homo sapiens.”

Det ultimative bevis for enhver influenzavaccine er beskyttelse mod sygdom i kliniske forsøg. Men for en formodet universel vaccine er en sådan afprøvning mere kompliceret. Et stigende antal grupper anvender “human challenge”-forsøg, hvor raske frivillige bevidst udsættes for en bestemt influenzastamme efter vaccination. Denne fremgangsmåde giver mulighed for hurtigere forsøg med mindre kohorter og definerede eksponeringsbetingelser, hvilket sænker omkostningerne ved forsøget, og det giver også forskerne mulighed for at udvælge de vira, de ønsker at beskytte mod.

Men der er også kritikere af udfordringsforsøg. “Det er ikke en naturlig infektion. Man er nødt til at vaccinere folk med en million eller endda ti millioner viruspartikler,” siger Krammer, “og det virker tilsyneladende ikke som en naturlig infektion.” Disse forsøg udelukker også meget unge og meget gamle mennesker, som er de grupper, der er mest sårbare over for influenza.

Et andet problem er, at den amerikanske Food and Drug Administration stadig kræver et forsøg i den virkelige verden, før den giver godkendelse, og disse er vanskelige og dyre. De kræver tusindvis af deltagere for at sikre, at et tilstrækkeligt antal mennesker udsættes for influenza, og de skal strække sig over flere sæsoner for at påvise effektivitet mod flere virusstammer eller undertyper.

Mange akademiske forskere siger, at selv det at gå i gang med et klinisk forsøg kan udgøre en næsten uoverkommelig udfordring, fordi det kræver adgang til sofistikerede produktionsfaciliteter, der opfylder de høje krav til gode produktionsstandarder. “Selv hvis det er en simpel konstruktion, taler vi om mindst et år til at fremstille den og en omkostning på ca. 1 til 2 millioner USD”, siger Krammer. Nogle få store virksomheder som GlaxoSmithKline og Janssen har foretaget disse investeringer, men det er langt fra let at få så meget finansiering fra enten offentlige eller private organer. Gilbert kæmpede i fem år for at opnå finansiering, før hun startede sit firma, som skaffede den kapital, der var nødvendig for at bringe hendes laboratoriums vaccineprogram ind i fase II-forsøg.

Mere investeringer kan være på vej. I de seneste par år har både NIAID og US Biomedical Advanced Research and Development Authority prioriteret udviklingen af en universel vaccine, og Bill & Melinda Gates Foundation er gået sammen med statslige og ikke-statslige organisationer for at danne Global Funders Consortium for Universal Influenza Vaccine Development.

Hævelse af barren

De vacciner, der nu udvikles, lover en meget bredere beskyttelse end de nuværende sæsonvacciner, men er langt fra at være virkelig universelle. Verdenssundhedsorganisationen (WHO) ser stadig en betydelig værdi i sådanne vacciner og har opfordret til en vaccine, der forhindrer alvorlig sygdom fra alle former for influenza A inden 2027, hvilket ville forhindre pandemier. Men Krammer påpeger, at sæsonbetingede influenza B-infektioner også kan medføre et alvorligt dødstal, og både han og Palese har fokuseret deres websteder på ægte universalitet. “Jeg mener, at WHO sætter barren for lavt”, siger Palese. “Vi bør virkelig forsøge at sigte højt.”

Universel beskyttelse behøver ikke at indebære, at alle spor af influenzavirus fjernes, men blot at give tilstrækkelig immunitet til at minimere infektionssymptomerne. Selv for at nå dette mere beskedne mål vil det sandsynligvis kræve et flerstrenget angreb. “Stammeantistoffer bidrager til beskyttelsen, men er sandsynligvis ikke tilstrækkelige til en meget potent beskyttelse”, siger Crowe. “De ville kun være en del af planen.”

Indiskret er Gilbert ved at udforske potentialet i et bredere immunologisk angreb, der sammensmelter Mount Sinai-gruppens chimaeriske stamvaccine med hendes teams vaccinia-teknik. “I det mindste i mus”, siger hun, “var kombinationen af disse to tilgange bedre end hver enkelt af dem alene.”

En større forståelse af det menneskelige immunsystem og dets reaktion på infektion kunne informere klogere vaccinationsstrategier. I maj 2019 tildelte US National Institutes of Health 35 millioner dollars til et internationalt forskerhold for at profilere immunsystemet hos små børn i årene efter deres første eksponering for influenza, hvilket giver den hidtil dybeste indsigt i prægningsprocessen.

Deres resultater kan hjælpe vaccineudviklere med at finde ud af den bedste måde at omskole immunsystemet på, mens det stadig er formbart. Og det, siger Crowe, kunne være en afgørende ændring. “Man kunne forestille sig at lave en universel vaccination som den første eksponering, med gavnlig prægning resten af livet”, siger han.