Naar een universeel griepvaccin

Griepvaccinaties zijn soms moeilijk te verkopen aan het publiek. Zelfs een gewone griepinfectie kan slopend zijn voor verder gezonde mensen, en dodelijk voor oudere of zwakke mensen, dus vaccinaties zijn belangrijk. Het probleem is dat griepvaccins niet altijd even goed werken. “In een goed seizoen zijn we tot 60% effectief, maar in slechte, slecht gematchte jaren kan het zo laag zijn als 10% of 20%,” zegt Barney Graham, adjunct-directeur van het Vaccine Research Center van het Amerikaanse National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) in Bethesda, Maryland.

De huidige griepvaccins bieden alleen bescherming tegen de stammen waarop ze zijn gematcht, dus een ‘universeel’ griepvaccin dat bredere bescherming biedt tegen de meeste influenzavirussen is een lang gekoesterde droom geweest. De Mexicaanse grieppandemie van 2009, die de volksgezondheidsgemeenschap overrompelde en wereldwijd het leven kostte aan maar liefst een half miljoen mensen, gaf de kwestie een nieuwe urgentie.

“De pandemie van 2009 maakte duidelijk dat we geen goede oplossingen hadden voor griepvaccins”, zegt Graham. “We kenden het virus, maar we waren niet in staat om snel genoeg genoeg vaccin te maken.” Effectievere productie is één oplossing, maar één inenting die beschermt tegen zowel seizoensgebonden als opkomende stammen zou een veel grotere impact hebben.

Gelukkig viel de timing van de pandemie samen met grote vooruitgang in de ontwikkeling van technologieën voor het onderzoeken van de menselijke reactie op influenza. “Rond 2008 of 2009 begon men een paar breed neutraliserende antilichamen tegen het influenzavirus te vinden,” zegt Ian Wilson, een structuurbioloog die gespecialiseerd is in de ontwikkeling van vaccins aan het Scripps Research Institute in La Jolla, Californië. “Toen men eenmaal begon te zoeken, werden er veel meer ontdekt.”

Nu, ongeveer 100 jaar na de Spaanse grieppandemie van 1918 die aan ongeveer 50 miljoen mensen het leven kostte, zijn er meerdere universele vaccinprogramma’s die zowel in preklinische als klinische tests veelbelovend blijken te zijn. Maar het valt nog te bezien of een van hen uiteindelijk de brede bescherming zal bieden die clinici zoeken.

Een variabel virus

Peter Palese, een microbioloog aan de Icahn School of Medicine van Mount Sinai in New York City, is van mening dat de huidige griepvaccins te veel kritiek te verduren krijgen. “Het zijn redelijk goede vaccins, maar ze zijn niet perfect,” zegt hij. Het grootste probleem, voegt hij eraan toe, is dat ze een gerichte immuunrespons opwekken tegen een bewegend doelwit.

Mensen worden getroffen door twee hoofdtypen griep. Influenza A en B kunnen beide bijdragen aan de seizoensgriep, maar sommige influenza A-subtypes infecteren bij voorkeur dierlijke gastheren. Soms verwerven deze subtypes abrupt het vermogen om mensen te besmetten, wat leidt tot pandemieën zoals die in 2009. Elk jaar wordt het seizoensgriepvaccin zo ontworpen dat het twee stammen van influenza A en B bestrijkt, op basis van de best geïnformeerde gok van de volksgezondheidsgemeenschap over welke stammen dat jaar dominant zullen zijn.

Elk influenzavirus is bezaaid met honderden moleculaire structuren die worden gevormd door een multifunctioneel eiwit dat hemagglutinine wordt genoemd. Hemagglutinine helpt het virus bij het binden en binnendringen in gastheercellen. Het bestaat uit een volumineuze kop die met een slanke steel aan het virus is bevestigd. De meeste immuunreacties zijn gericht tegen de kop omdat deze sterk blootgesteld is, maar er zijn ook aanwijzingen dat de kop kenmerken vertoont die bij voorkeur een sterke antilichaamrespons uitlokken. “Er zijn gestructureerde lussen, en antilichamen herkennen gemakkelijk lussen die zo uitsteken,” verklaart James Crowe, directeur van het Vanderbilt Vaccine Center in Nashville, Tennessee. Helaas zijn deze immunodominante elementen ook zeer variabel tussen stammen.

Influenza A-virussen zijn bijzonder divers. Ze worden ingedeeld op basis van het subtype van het hemagglutinine-eiwit (H) en een tweede viraal eiwit dat neuraminidase (N) wordt genoemd, met een nog grotere stamvariatie tussen deze subtypes. De pandemie van 2009 bijvoorbeeld ontstond uit een nieuwe stam van het subtype H1N1. De mate van hemagglutininevariabiliteit betekent dat een slechte stamselectie ontvangers grotendeels onbeschermd kan laten – en zelfs een goed vaccin biedt beperkte bescherming tegen toekomstige stammen. “Over twee jaar kan het virus opnieuw veranderen, zodat we opnieuw besmet kunnen raken en ziekte kunnen krijgen,” zegt Palese.

De zoektocht naar een universeel griepvaccin wordt verder bemoeilijkt door het feit dat ons immuunsysteem sterk wordt beïnvloed door de eerste ontmoetingen met griep door een fenomeen dat imprinting wordt genoemd – of, zoals het is genoemd, ‘oorspronkelijke antigene zonde’. Dit betekent dat mensen een sterke antilichaamrespons hebben op virussen met moleculaire kenmerken die overeenkomen met de stam waarmee ze voor het eerst in contact kwamen, maar dat ze in wezen vanaf nul beginnen wanneer ze voor het eerst worden blootgesteld aan stammen die verder van elkaar afstaan. “Het is niet zo dat je het tweede virus niet kunt zien – het is net alsof je een baby bent en je het voor het eerst ziet,” zegt Crowe.

Imprinting is een tweesnijdend zwaard, omdat vroege blootstelling aan de juiste stam in theorie een vergaande en krachtige bescherming zou kunnen opleveren in reactie op vaccinatie. Maar als een kind voor het eerst in aanraking komt met een relatief ongebruikelijke of atypische griepstam, kan vaccinatie minder effectief blijken in termen van het opwekken van een breed beschermende immuniteit.

Stalking stability

Een vaccin dat de immuunrespons richt op een stabieler doelwit op het virus zou het probleem van virale diversiteit kunnen ondervangen. Onderzoekers weten al tientallen jaren dat dergelijke doelwitten bestaan. In 1983 stelden Palese en zijn collega’s vast dat het stengeldomein van het hemagglutinine tussen de stammen zoveel overeenkomsten vertoont dat antilichamen specifieke fysieke kenmerken, epitopen genaamd, van hemagglutinine-eiwitten van verschillende influenzasubtypes kunnen herkennen. Helaas is de stengel een soort immunologisch muurbloempje, overschaduwd door de invloed van het hoofd. “We hebben epitopen in de steel ingebouwd en dezelfde epitopen in de kop, en we krijgen een veel betere reactie op epitopen in de kop,” zegt Palese. Maar immuniteit kan in sommige gevallen nog steeds op natuurlijke wijze ontstaan, en een reeks stengel-specifieke antilichamen werden geïsoleerd van menselijke donoren in 2008 en 2009.

Meer recent hebben verschillende onderzoeksgroepen meerdere vaccinstrategieën bedacht om selectief een stam-specifieke respons uit te lokken. Graham’s team bij het NIAID heeft bijvoorbeeld een minutieus proces doorlopen waarbij een op zichzelf staande versie van de stam van een H1-griepvirus op basis van proteïnen is ontwikkeld. “Het kostte ons ongeveer zeven of acht jaar om de stam te ontwikkelen en voldoende te stabiliseren om de juiste oppervlakken en structuren te behouden,” zegt Graham. De onderzoekers genereerden vervolgens nanodeeltjes met meerdere kopieën van deze gemanipuleerde stammen en toonden aan1 dat deze een sterke bescherming konden bieden tegen totaal verschillende subtypes van influenza A, zoals H5 – althans in diermodellen. Dit vaccinontwerp wordt thans klinisch onderzocht in fase I en zou in principe bescherming kunnen bieden tegen veel van de meest prominente subtypes van het pandemische virus. Een nieuwer hemagglutinine-stamconstruct dat door het NIAID is ontwikkeld, zou tot een nog bredere bescherming tegen de resterende subtypes kunnen leiden.

Palese en Florian Krammer, een viroloog die ook aan Mount Sinai verbonden is, hebben een alternatieve benadering ontwikkeld om stam-specifieke immuniteit te stimuleren. Zij hebben meerdere influenzavirussen gegenereerd met chimaerische hemagglutinine-eiwitten waarin hetzelfde stengeldomein is gekoppeld aan verschillende exotische hoofddomeinen van virussubtypen die voornamelijk vogels infecteren en daarom waarschijnlijk geen imprinting-gebaseerde respons bij mensen zullen opwekken. “Als je dan opnieuw vaccineert met een vaccin dat dezelfde steel heeft maar een heel andere kop, kan het immuungeheugen tegen de steel worden versterkt,” legt Krammer uit.

Deze benadering maakt gebruik van het hele virusdeeltje, waardoor de mogelijkheid ontstaat om parallelle immuunherkenning van andere influenza-antigenen op te wekken. Op basis van veelbelovend bewijs van kruisbescherming tegen verschillende influenza A-subtypes bij dieren, voert het Mount Sinai-team nu fase I-proeven uit om de veiligheid en effectiviteit van het vaccin bij mensen te onderzoeken.

Verborgen zwakheden

Geïnspireerd door de ontdekking van kruisbeschermende steelantilichamen in de natuur, hebben verschillende onderzoeksgroepen het net breder gegooid om meer van dergelijke moleculen te vinden. “We gebruiken allerlei soorten donoren – mensen die actief ziek zijn, mensen die hersteld zijn van vogelgriep, of we gaan naar andere landen om donoren te vinden die zijn blootgesteld aan ongebruikelijke stammen,” zegt Crowe. Na het isoleren van de antilichaam-producerende B-cellen van deze personen, kunnen onderzoekers een uitgebreid profiel maken van de specifieke griepdoelen die een natuurlijke immuunrespons opwekken en antilichamen identificeren die een breed infectie-neutraliserend vermogen zouden kunnen hebben.

Deze studies hebben aangetoond dat zelfs in het variabele hoofddomein van hemagglutinine structurele elementen zitten die consistent zijn tussen de verschillende influenzasubtypen. In 2012 identificeerden onderzoekers van Scripps en Janssen’s Crucell Vaccine Institute in Leiden, Nederland, een antilichaam genaamd CR9114, dat een ongekende breedte van herkenning vertoonde. “Het kon zich binden aan zowel influenza A als influenza B,” zegt Wilson, die hielp bij het karakteriseren van het antilichaam. Dit antilichaam wordt nu gebruikt om doel-epitopen op hemagglutinine te identificeren die kunnen worden benut om verregaande virusneutralisatie te bereiken voor zowel preventie als behandeling.

In sommige gevallen hebben deze zoekacties onverwachte kwetsbaarheden in het virus aan het licht gebracht. Haemagglutinine assembleert normaal gesproken in zeer stabiele complexen van drie nauw gekoppelde moleculen, maar Crowe en Wilson ontdekten3 dit jaar dat deze trimers zich af en toe openen om een zwak punt bloot te leggen waaraan antilichamen zich kunnen binden, waardoor infectie door een breed scala van influenza A-virussen mogelijk wordt gedwarsboomd. “Dit trimeer-interface is een geheel nieuw universeel griepepitoop, en iedereen wordt er gek van,” zegt Crowe. “Het is niet eens duidelijk hoe het werkt, maar het werkt duidelijk bij dieren.”

Veel van de variabiliteit tussen influenzavirussen is slechts huiddiep. Als je dieper in het virusdeeltje graaft, vind je meer overeenkomsten in de essentiële eiwitten. Deze liggen buiten het bereik van antilichamen, maar ze kunnen worden herkend door T-cellen – een element van het immuunsysteem dat zich kan richten op met influenza geïnfecteerde cellen, die peptide handtekeningen van hun virale indringers vertonen, en deze kan elimineren.

Tot nu toe zijn antilichamen de primaire focus van de vaccingemeenschap geweest, omdat ze een cruciale eerste verdedigingslinie vormen tegen circulerende virusdeeltjes, maar T-cellen bieden cruciale bescherming door de infectie binnen de perken te houden als deze eenmaal is begonnen. “Mensen worden gemiddeld om de twee of drie jaar blootgesteld en geïnfecteerd”, zegt Sarah Gilbert, die aan het hoofd staat van de ontwikkeling van vaccins aan het Jenner Instituut van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk. “De overgrote meerderheid van deze infecties is ofwel asymptomatisch of mild,” zegt ze, “en de reden is dat mensen een T-celrespons hebben die sterk genoeg is om hen te beschermen.”

In het algemeen houdt het opwekken van een echt beschermende T-celrespons in dat geheugen T-cellen die in de nasleep van een eerdere blootstelling werden gevormd, weer tot leven worden gewekt. Het team van Gilbert maakt gebruik van een kreupel vacciniavirus dat menselijke cellen kan infecteren en dat twee verschillende immuniteitsstimulerende influenza-eiwitten synthetiseert, maar niet in staat is tot verdere replicatie. “Met één enkele dosis zagen we een toename van de reeds bestaande T-celresponsen met een factor acht tot tien bij mensen,” zegt Gilbert. Ze voegt eraan toe dat de doeleiwitten voor 90% identiek zijn voor alle influenza A-virussen, wat de mogelijkheid biedt voor een brede bescherming tegen pandemische stammen.

Gilbert’s vaccin ondergaat momenteel twee fase II-proeven onder leiding van Vaccitech, een bedrijf dat ze mede heeft opgericht in Oxford. Een krachtige T-celrespons lijkt ook bij te dragen aan de schijnbare kruisbescherming die wordt geboden door een replicatie-defect griepvaccin van FluGen, gevestigd in Madison, Wisconsin, dat succes heeft gemeld in een recente fase II klinische studie.

Proeven en beproevingen

Zelfs met verschillende veelbelovende series van proeven op mensen in uitvoering, blijft de weg naar de kliniek beladen met moeilijkheden. Muizen worden vaak gebruikt voor vroege studies van de preklinische ontwikkeling van vaccins, maar Palese wijst erop dat zij geen natuurlijk reservoir zijn voor het influenzavirus. Veel onderzoekers schakelen daarom snel over op het gebruik van fretten om hun kandidaat-vaccins te testen, omdat zij in grote lijnen vatbaar zijn voor influenza en fysiologisch meer op de mens lijken doordat fretten een langere luchtweg hebben dan muizen. Beide soorten hebben echter een korte levensduur, waardoor het moeilijk is om de effecten van een vaccin gedurende vele blootstellingsrondes aan influenza te bestuderen.

Gilbert is in samenwerking met het Pirbright Institute in de buurt van Woking in het VK begonnen met het bestuderen van varkens. Deze langlevende diersoort zou zowel een nuttige testcase als een belangrijke begunstigde voor vaccins kunnen zijn. “De bovenste luchtwegen van het varken lijken erg op die van de mens en ze hebben de neiging om met dezelfde virussen besmet te raken,” zegt ze. “En er is behoefte aan griepvaccins bij varkens – het H1N1 pandemische virus van 2009 is vermoedelijk afkomstig van varkens.”

Krammer heeft ook varkens als model gebruikt, maar zegt dat hun grote omvang hen moeilijk routinematig in onderzoek te gebruiken maakt. Bovendien is hij huiverig om te veel conclusies te trekken uit welk dierlijk model dan ook: “Je kunt ze gebruiken om kandidaten te down-selecteren en voor veiligheid, maar met universele griepvaccins is het ultieme diermodel de Homo sapiens.”

Het ultieme bewijs voor elk griepvaccin is bescherming tegen ziekte in klinische tests. Maar voor een vermeend universeel vaccin zijn dergelijke tests gecompliceerder. Een groeiend aantal groepen maakt gebruik van “human challenge”-tests, waarbij gezonde vrijwilligers na vaccinatie opzettelijk worden blootgesteld aan een bepaalde griepstam. Deze aanpak maakt snellere proeven mogelijk met kleinere cohorten en gedefinieerde blootstellingsomstandigheden – waardoor de kosten van het onderzoek dalen – en het stelt onderzoekers ook in staat om de virussen waartegen zij zich willen beschermen, zelf uit te kiezen.

Maar challenge-proeven hebben ook hun critici. “Het is geen natuurlijke infectie. Je moet mensen inenten met een miljoen of zelfs tien miljoen virusdeeltjes,” zegt Krammer, “en het lijkt niet te werken als een natuurlijke infectie.” Deze proeven laten ook zeer jonge en zeer oude mensen weg, wat de groepen zijn die het meest kwetsbaar zijn voor griep.

Een ander probleem is dat de Amerikaanse Food and Drug Administration nog steeds een real-world trial vereist alvorens goedkeuring te geven, en deze zijn moeilijk en kostbaar. Ze vereisen duizenden deelnemers om ervoor te zorgen dat voldoende mensen worden blootgesteld aan griep, en ze moeten meerdere seizoenen om de werkzaamheid tegen meerdere virusstammen of subtypen aan te tonen.

Veel academische onderzoekers zeggen dat zelfs het beginnen aan een klinische proef een bijna onoverkomelijke uitdaging kan vormen, omdat het toegang vereist tot geavanceerde productiefaciliteiten die voldoen aan de hoge lat van goede productienormen. “Zelfs als het om een eenvoudige constructie gaat, kost het minstens een jaar om die te maken en ongeveer 1 tot 2 miljoen dollar”, zegt Krammer. Enkele grote bedrijven zoals GlaxoSmithKline en Janssen hebben deze investeringen gedaan, maar het is verre van eenvoudig om zoveel financiering te krijgen van openbare of particuliere instanties. Gilbert heeft vijf jaar geworsteld om financiering te krijgen voordat ze haar bedrijf oprichtte, dat het kapitaal bijeenbracht dat nodig was om het vaccinprogramma van haar laboratorium in fase II te brengen.

Meer investeringen zijn misschien op komst. In de afgelopen paar jaar hebben zowel NIAID als de US Biomedical Advanced Research and Development Authority prioriteit gegeven aan de ontwikkeling van een universeel vaccin, en de Bill & Melinda Gates Foundation heeft de krachten gebundeld met gouvernementele en niet-gouvernementele organisaties om het Global Funders Consortium for Universal Influenza Vaccine Development.

Raising the bar

De vaccins die nu worden ontwikkeld, beloven een veel bredere bescherming dan de huidige seizoensgebonden shots, maar zijn bij lange na niet echt universeel. De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) ziet nog steeds aanzienlijke waarde in dergelijke vaccins en heeft opgeroepen tot een vaccin dat ernstige ziekte door alle vormen van influenza A tegen 2027 voorkomt, waardoor pandemieën zouden worden voorkomen. Maar Krammer wijst erop dat seizoensgebonden influenza B-infecties ook een ernstig dodental kunnen veroorzaken, en zowel hij als Palese hebben hun sites gericht op werkelijke universaliteit. “Ik denk dat de WHO de lat te laag legt,” zegt Palese. “We moeten echt proberen om hoog te mikken.”

Universele bescherming hoeft niet te betekenen dat alle sporen van het influenzavirus worden geëlimineerd, maar alleen dat er voldoende immuniteit wordt geboden om de symptomen van infectie tot een minimum te beperken. Zelfs om dat meer bescheiden doel te bereiken is waarschijnlijk een meervoudige aanval nodig. “Stamantistoffen dragen bij aan de bescherming, maar zijn waarschijnlijk niet voldoende voor een zeer krachtige bescherming,” zegt Crowe. “Ze zouden slechts een deel van het schema zijn.”

Inderdaad onderzoekt Gilbert het potentieel van een bredere immunologische aanval die het chimaerische stamvaccin van de Mount Sinai-groep verbindt met de vaccinia-techniek van haar team. “Tenminste bij muizen,” zegt ze, “was het combineren van deze twee benaderingen beter dan een van beide alleen.”

Een beter begrip van het menselijke immuunsysteem en zijn reactie op infectie zou slimmere vaccinatiestrategieën kunnen informeren. In mei 2019 heeft het Amerikaanse National Institutes of Health $ 35 miljoen toegekend aan een internationaal team van onderzoekers om de immuniteit van jonge kinderen te profileren in de jaren na hun eerste blootstelling aan influenza, wat de diepste inzichten tot nu toe biedt in het inprentingsproces.

Hun bevindingen zouden vaccinontwerpers kunnen helpen bij het uitzoeken van de beste manier om het immuunsysteem opnieuw te bedraden terwijl het kneedbaar blijft. En dat, zegt Crowe, zou een spelbreker kunnen zijn. “Je zou je een universele vaccinatie kunnen voorstellen als je eerste blootstelling, met een gunstige inprenting voor de rest van je leven,” zegt hij.