Co-adjuvant effect of retinoic acid in combination with systemic adjuvants on mucosal vaccine immunization

The vast majority of pathogens invade the host through or cause disease at mucosal surfaces. Development of novel immunization strategies suitable for mucosal vaccines is widely desired to protect against infectious diseases. However, very few mucosal vaccines are available for human use, none of which are recombinant proteins or subunits of pathogens, owing to the lack of potent and safe mucosal adjuvants. Given the crucial role of Vitamin A metabolites, such as retinoic acid (RA) in imprinting a mucosal homing capacity on T and B cells, as well as its potential to promote the differentiation of IgA-producing plasma cells, RA holds potential as a candidate molecule to improve mucosal vaccinations. In this study, we investigated new strategies of immunization to amplify both systemic and mucosal immune responses by administering RA. First, we observed that treatment with RA synergises with the adjuvant capacity of cholera toxin (CT) to enhance both systemic and mucosal Ag-specific immune responses. The combination of mucosal priming with Ag alone, followed by a boost with systemic adjuvant was also evaluated. Mice treated with RA showed a higher titer of mucosal IgA compared to untreated mice, after intranasal priming with Ag followed by a systemic boost with Ag plus Alum. After eight months, higher IgG Ag-specific antibodies in the serum and a higher frequency of Ag-specific IgG and IgA secreting cells were detected in the bone marrow of mice treated with RA as compared to untreated mice. Higher percentages of proliferating CD4 and CD8 T cells upon Ag stimulation were found in the spleens, in the mesenteric lymph nodes and in the colonic lamina propria of mice treated with RA. Next, we evaluated the effects of RA on systemic vaccination with a subunit vaccine against tuberculosis. This vaccine includes CAF01 as adjuvant and the mycobacterial derived fusion protein H56. We found that mice treated with RA as compared with untreated ones, showed enhanced mucosal (IgA) H56 mycobacterial fusion proteinspecific antibody responses and enhanced Ag-specific CD4+ T lymphocytes harbouring the lung after systemic immunization with the TB subunit vaccine. Therefore, we evaluated the effects of RA on protection against challenge with virulent Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strain after systemic vaccination with the TB subunits vaccine (CAF01 and H56). Vaccination with BCG was included in the experiment as control. We found that immunization with CAF01 and H56 in presence of RA leads to a lower bacterial colonization in the lungs 14 days after challenge as compared to control mice. Furthermore, higher pro-inflammatory cytokine production, such as IFNγ and IL-17 was found in the lung of mice immunized with CAF01 and H56 in presence of RA 24h after Mtb infection. Therefore, we hypothesize that the mucosal immune responses elicited during vaccination in presence of RA could have an impact on the containment of bacterial growth in the lungs. This approach can contribute to progress beyond the state of the art in adjuvant research by achieving mucosal immunity in the absence of mucosal adjuvants.

La grande maggioranza dei patogeni invade l’ospite o causa malattie attraverso le mucose. Lo sviluppo di nuove strategie di immunizzazione per indurre risposte immunitarie a livello delle mucose è ampiamente richiesto. Attualmente, sono disponibili pochi vaccini mucosali, nessuno dei quali è costituito da proteine ricombinanti o subunità di patogeni, questo principalmente a causa della mancanza di adiuvanti mucosali potenti e sicuri. Dato il ruolo cruciale dei metaboliti della vitamina A, come l’acido retinoico (RA), nel conferire alle cellule del sistema immunitario la capacità di migrare nei distretti mucosali, e di promuovere il differenziamento di cellule che producono IgA, i metaboliti della vitamina A sono potenziali molecole candidate per migliorare le risposte immunitarie a livello delle mucose. In questo studio, sono state investigate nuove strategie di immunizzazione per amplificare le risposte immunitarie sia sistemiche che mucosali tramite la somministrazione di RA. In una prima fase, abbiamo osservato che il trattamento con RA sinergizza con la tossina colerica (CT), nell’aumentare le risposte antigene (Ag)-specifiche mucosali e sistemiche in seguito ad un’immunizzazione intranasale. Nel corso di questi esperimenti, abbiamo osservato che la somministrazione dell’Ag intranasale in assenza di adjuvante era in grado di generare una risposta a livello mucosale in topi che erano stati trattati con RA. Ci siamo quindi chiesti se tale risposta potesse essere amplificata in seguito ad un boost sistemico con l’Ag in combinazione con un adjuvante sistemico. Abbiamo osservato che la combinazione di un priming mucosale con Ag da solo, seguito da un boost sistemico con Ag e Alum, induce risposte mucosali e sistemiche durevoli nel tempo. In una seconda fase, abbiamo valutato gli effetti della somministrazione di RA in concomitanza con una vaccinazionsistemica utilizzando un vaccino a subunità contro la tubercolosi. Tale vaccino è composto da un adjuvante sistemico CAF01 e da un Ag di fusione derivato da tre proteine antigeniche di Mycobacterium tuberculosis (Mtb), H56. Abbiamo osservato che il trattamento con RA promuove la risposta anticorpale Agspecifica sia sistemica (IgG) che mucosale (IgA) e determina la colonizzazione dei distretti mucosali da parte dei linfociti T CD4+ Ag-specifici. Infine, abbiamo valutato gli effetti di RA sulla protezione verso un challenge con il ceppo virulento di Mtb (H37Rv) di topi immunizzati con il vaccino a subunità CAF01/H56. Abbiamo osservato che l’immunizzazione sistemica con CAF01 e H56 in presenza di RA ha un impatto sul contenimento della crescita di Mtb a livello polmonare 14 giorni dopo l’infezione. Inoltre, è stata rilevata una più alta produzione di citochine pro-infiammatorie nei polmoni di topi immunizzati con CAF01 e H56 24 ore dopo l’infezione. In conclusione, questo approccio che ha lo scopo di generare le risposte a livello sistemico ed indirizzarle nei distretti mucosali utilizando modulatori della migrazione cellulare come l’RA, potrebbe contribuire a far progredirela ricerca degli adiuvanti. Risposte mucosali potrebbero essere generate utilizzando gli adiuvanti sistemici disponibili in assenza di adiuvanti mucosali.