Attenuation and immunogenicity of recombinant yellow fever 17D-dengue type 2 virus for rhesus monkeys

A chimeric yellow fever (YF)-dengue serotype 2 (dengue 2) virus was constructed by replacing the premembrane and envelope genes of the YF 17D virus with those from dengue 2 virus strains of Southeast Asian genotype. The virus grew to high titers in Vero cells and, after passage 2, was used for immunogenicity and attenuation studies in rhesus monkeys. Subcutaneous immunization of naive rhesus monkeys with the 17D-D2 chimeric virus induced a neutralizing antibody response associated with the protection of 6 of 7 monkeys against viremia by wild-type dengue 2 virus. Neutralizing antibody titers to dengue 2 were significantly lower in YF-immune animals than in YF-naive monkeys and protection against challenge with wild-type dengue 2 virus was observed in only 2 of 11 YF-immune monkeys. An anamnestic response to dengue 2, indicated by a sharp increase of neutralizing antibody titers, was observed in the majority of the monkeys after challenge with wild-type virus. Virus attenuation was demonstrated using the standard monkey neurovirulence test. The 17D-D2 chimera caused significantly fewer histological lesions than the YF 17DD virus. The attenuated phenotype could also be inferred from the limited viremias compared to the YF 17DD vaccine. Overall, these results provide further support for the use of chimeric viruses for the development of a new live tetravalent dengue vaccine.

Retention of a recombinant GFP protein expressed by the yellow fever 17D virus in the E/NS1 intergenic region in the endoplasmic reticulum

The flaviviral envelope proteins, E protein and precursor membrane protein, are mainly associated with the endoplasmic reticulum (ER) through two transmembrane (TM) domains that are exposed to the luminal face of this compartment. Their retention is associated with the viral assembly process. ER-retrieval motifs were mapped at the carboxy terminus of these envelope proteins. A recombinant yellow fever (YF) 17D virus expressing the reporter green fluorescent protein (GFP) with the stem-anchor (SA) region of E protein fused to its carboxy terminus was subjected to distinct genetic mutations in the SA sequence to investigate their effect on ER retention. Initially, we introduced progressive deletions of the stem elements (H1, CS and H2). In a second set of mutants, the effect of a length increase for the first TM anchor region was evaluated either by replacing it with the longer TM of human LAMP-1 or by the insertion of the VALLLVA sequence into its carboxy terminus. We did not detect any effect on the GFP localisation in the cell, which remained associated with the ER. Further studies should be undertaken to elucidate the causes of the ER retention of recombinant proteins expressed at the intergenic E/NS1 region of the YF 17D virus polyprotein.

Live Attenuated Chimeric Yellow Fever Dengue Type 2 (Chimeri Vax -DEN2) Vaccine: Phase 1 clinical trial for safety and immunogenicity

A randomized double-blind Phase I Trial was conducted to evaluate safety, tolerability, and immunogenicity of a yellow fever (YF)-dengue 2 (DEN2) chimera (ChimeriVax™-DEN2) in comparison to that of YF vaccine (YF-VAX®). Forty-two healthy YF naïve adults randomly received a single dose of either ChimeriVax™-DEN2 (high dose, 5 log plaque forming units [PFU] or low dose, 3 log PFU) or YF-VAXâ by the subcutaneous route (SC). To determine the effect of YF pre-immunity on the ChimeriVaxTM-DEN2 vaccine, 14 subjects previously vaccinated against YF received a high dose of ChimeriVax™-DEN2 as an open-label vaccine. Most adverse events were similar to YF-VAX® and of mild to moderate intensity, with no serious side-effects. One hundred percent and 92.3% of YF naïve subjects inoculated with 5.0 and 3.0 log10 PFU of ChimeriVaxTM-DEN2, respectively, seroconverted to wt DEN2 (strain 16681); 92% of subjects inoculated with YF-VAX® seroconverted to YF 17D virus but none of YF naïve subjects inoculated with ChimeriVax-DEN2 seroconverted to YF 17D virus. Low seroconversion rates to heterologous DEN serotypes 1, 3, and 4 were observed in YF naïve subjects inoculated with either ChimeriVax™-DEN2 or YF-VAX®. In contrast, 100% of YF immune subjects inoculated with ChimeriVax™-DEN2 seroconverted to all 4 DEN serotypes. Surprisingly, levels of neutralizing antibodies to DEN 1, 2, and 3 viruses in YF immune subjects persisted after 1 year. These data demonstrated that 1) the safety and immunogenicity profile of the ChimeriVax™-DEN2 vaccine is consistent with that of YF-VAX®, and 2) pre-immunity to YF virus does not interfere with ChimeriVaxTM-DEN2 immunization, but induces a long lasting and cross neutralizing antibody response to all 4 DEN serotypes. The latter observation can have practical implications toward development of a dengue vaccine.

Immune activation alters cellular and humoral responses to yellow fever 17D vaccine.

Background. Defining the parameters that modulate vaccine responses in African populations will be imperative to design effective vaccines for protection against HIV, malaria, tuberculosis, and dengue virus infections. This study aimed to evaluate the contribution of the patient-specific immune microenvironment to the response to the licensed yellow fever vaccine 17D (YF-17D) in an African cohort. Methods. We compared responses to YF-17D in 50 volunteers in Entebbe, Uganda, and 50 volunteers in Lausanne, Switzerland. We measured the CD8+ T cell and B cell responses induced by YF-17D and correlated them with immune parameters analyzed by flow cytometry prior to vaccination. Results. We showed that YF-17D-induced CD8+ T cell and B cell responses were substantially lower in immunized individuals from Entebbe compared with immunized individuals from Lausanne. The impaired vaccine response in the Entebbe cohort associated with reduced YF-17D replication. Prior to vaccination, we observed higher frequencies of exhausted and activated NK cells, differentiated T and B cell subsets and proinflammatory monocytes, suggesting an activated immune microenvironment in the Entebbe volunteers. Interestingly, activation of CD8+ T cells and B cells as well as proinflammatory monocytes at baseline negatively correlated with YF-17D-neutralizing antibody titers after vaccination. Additionally, memory T and B cell responses in preimmunized volunteers exhibited reduced persistence in the Entebbe cohort but were boosted by a second vaccination. Conclusion. Together, these results demonstrate that an activated immune microenvironment prior to vaccination impedes efficacy of the YF-17D vaccine in an African cohort and suggest that vaccine regimens may need to be boosted in African populations to achieve efficient immunity. Trial registration. Registration is not required for observational studies. Funding. This study was funded by Canada's Global Health Research Initiative, Defense Threat Reduction Agency, National Institute of Allergy and Infectious Diseases, Bill & Melinda Gates Foundation, and United States Agency for International Development.

Clonació del gen de l'envolta de vih en el plàsmid pnl Δenv-Ren per la obtenció de recombinants

Estudi elaborat a partir d’una estada al Laboratori de Inmunopatología del SIDA del Dr Alcamí a l’Instituto de Salud Carlos III-Centro Nacional de Microbiologia, entre finals de desembre de 2006 i març de 2007. L’objectiu ha estat millorar la caracterització de l’envolta del VIH-1 mitjançant l’obtenció de virus recombinants, ja que això permet estudiar l’envolta viral tant genètica com fenotípicament. En aquest cas, s’ha estudiat l'envolta viral dels pacients sotmesos a vacunació terapèutica amb cèl•lules dendrítiques polsades amb virus autòlegs. Durant aquesta estada es realitza un aprenentatge profund de les tècniques adequades per a l'amplificació i clonatge del gen complet de l'envolta del VIH-1 (env), així com de l’obtenció de virus recombinants amb l’envolta del pacient i els corresponents assaigs de tropisme viral i neutralització sèrica. Aquesta metodologia empra el virus quimèric pNL4.3 delta_env Renilla, construït a partir del virus de referència NL4.3 i que té dues característiques importants: la primera és que conté un gen marcador Renilla, que a l’interior de les cèl•lules infectades té activitat luciferasa. La utilització del virus pNL4.3 delta_env Renilla en assaigs de neutralització presenta diversos avantatges front altres assaigs més convencionals, tant a nivell de sensibilitat i especificitat com d’estalvi de temps.

The thermal stability of yellow fever vaccines

The assessment of yellow fever vaccine thermostability both in lyophilized form and after reconstitution were analyzed. Two commercial yellow fever vaccines were assayed for their thermal stability. Vaccines were exposed to test temperatures in the range of 8 (graus) C to 45 (graus) C. Residual infectivity was measured by a plaque assay using Vero cells. The titre values were used in an accelerated degradation test that follows the Arrhenius equation and the minimum immunizing dose was assumed to be 10 (ao cubo) particles forming unit (pfu)/dose. Some of the most relevant results include that (i) regular culture medium show the same degradation pattern of a reconstituted 17D-204 vaccine; (ii) reconstituted YF-17D-204 showed a predictable half life of more than six days if kept at 0 (graus) C; (iii) there are differences in thermostability between different products that are probably due to both presence of stabilizers in the preparation and the modernization in the vaccine production; (iv) it is important to establish a proper correlation between the mouse infectivity test and the plaque assay since the last appears to be more simple, economical, and practical for small laboratories to assess the potency of the vaccine, and (v) the accelerated degradation test appears to be the best procedure to quantify the thermostability of biological products.

Release of extracellular particles by recombinant vaccinia virus over-expressing the major envelope protein p37K.

During the replication cycle of vaccinia virus, four different forms of viral particles are produced. The two extracellular enveloped forms, cell-associated enveloped virus and extracellular enveloped virus, are responsible for cell-to-cell transmission and long-range spread of infection both in vivo and in vitro. Despite the biological importance of the enveloped forms, the mechanism of envelopment and the components involved in this process have been analysed only recently. Therefore the individual steps and the rate-limiting factors of the envelopment process are still unknown. The protein p37K, an unglycosylated but acylated envelope protein of molecular mass 37 kDa, has been shown to be essential for envelopment. However, this study shows that over-expression of p37K by vaccinia virus recombinants reduces rather than increases the yield of infectious enveloped virus which is mainly due to the enveloped virions exhibiting a strongly diminished specific infectivity.

Cellular and viral factors implicated in persistent infection in canine distemper virus

Summary SLAM (signalling lymphocyte activation molecule, CD150) serves as a cellular receptor for different morbiliviruses, including measles virus and canine distemper virus. Laboratory cell lines that do not express dog SLAM are therefore quite refractory to infection by wildtype CDV. SLAM expression is not only required for CDV virion attachment, but also for the establishment of cytolytic infection characterized by syncytia formation. In order to determine if SLAM has a direct influence on CDV replication, we compared wild-type and mutated SLAM variants for their capacity to influence viral polymerase activity and syncytia formation. Deletion of immunoreceptor tyrosine-based signalling motif (ITSM) in the cytoplasmic tail of SLAM did not seem to influence viral replication, viral polymerase activity or cell-to cell fusion. Instead, it was the level of cell surface expression of SLAM, which was important. Additional experiments corroborated the importance of SLAM for efficient cell-to cell fusion: Both SLAM, as well as viral fusion (F) and attachment (H) glycoproteins, were found to be required for efficient cell-to-cell fusion, which, in turn, enhanced the activity of the viral polymerase and, viral replication. Wild-type A75/17 canine distemper virus (CDV) strain is known to induce a persistent infection in the central nervous system and in dog footpad keratinocytes in vivo. Recently, it has been shown that the A75/17 virus could also infect canine footpad keratinocytes (CFKs) in vitro. CFK infection with A75/17 was initially inefficient and produced very little virus progeny, however, after only three passages the adapted virus produced more progeny and induced limited syncytia formation. Sequence comparison between the A75/17 and the CFKadapted A75/17-K virus revealed three amino acid differences, one in the phosphoprotein (P), one in the matrix protein (M) and one in the H protein. In order to identify viral determinants of A75/17-K adaptation, recombinant viruses containing one, two or three nucleotides substitutions were analyzed. The amino acid substitution in the M protein was without effect on viral particle formation. In contrast, the amino acid substitution in the cytoplasmic tail of H protein was clearly important for syncytia formation. Concerning the mutation in the P protein, it led to an increase in viral replication. However, we cannot rule out that the observed effect is due to the amino acid substitutions in the overlapping accessory proteins C and V, also affected by the P mutation. The adaptation of wild-type CDV strains to cell culture almost always involves modifications of M protein. In order to understand the influence of these modifications, we tested recombinant A75/17 viruses bearing different M proteins. Preliminary results demonstrated that the M protein from the Vero-adapted strain reduced syncytia formation. Future studies will focus on the M mRNA and protein stability, its expression level, localisation and its effect on viral particles formation and on the phenotype of infection. Résumé La protéine SLAM (signalling lymphocyte activation molecule ou CD150) est utilisée comme récepteur cellulaire par les morbillivirus parmi lesquels on trouve le virus de la rougeole (VR) ainsi que le virus de la maladie de Carré (CDV). Les lignées cellulaires qui n'expriment pas la protéine SLAM du chien à leur surface sont réfractaires à l'infection par les souches sauvages de CDV. Le récepteur SLAM n'est pas seulement requis pour l'attachement du virion à la surface de la cellule, mais il participe également de façon active à l'établissement d'une infection cytolytique à travers la formation de syncytia. Afin de déterminer si la protéine SLAM exerce une influence directe sur la réplication virale du virus de la maladie de Carré, nous avons généré différentes protéines tronquées de SLAM et comparé leurs capacités à influencer l'activité de la polymérase ainsi que la formation de syncytia. Nos résultas ont montré que la réplication virale, l'activité de la polymérase ainsi que la fusion cellulaire ne semblent pas être influencées par les délétions dans les régions cytoplasmiques du récepteur SLAM. Cependant, ces délétions agissent sur l'expression de la protéine SLAM à la surface des cellules. Les expériences additionnelles ont permis de souligner l'importance de la protéine SLAM dans le phénomène de fusion entre cellules. En effet, la protéine SLAM ainsi que les deux glycoprotéines virales F et H sont requises pour la formation de syncytia, laquelle induit une augmentation de l'activité de la polymérase ainsi que de la réplication virale. La souche virulente A75/17 du virus, de la Maladie de Carré est connue pour induire une infection persistante au niveau du système nerveux central ainsi que dans les kératinocytes de pattes chez le chien. Des études récentes ont montré que des cultures primaires de kératinocytes de chien pouvaient aussi êtres infectées par la souche A75/17 de CDV. En effet, le virus induit une infection persistante en produisant très peu de progéniture. Cependant, trois passages du virus sauvage A75/17 dans ces cultures aboutissent à la sélection d'un virus produisant plus de progéniture et favorisant la formation limitée de syncytia. La comparaison des séquences génomique entre la souche A75/17 et la souche adaptée A75/17-K montre une différence de trois nucléotides. La première mutation, située dans le gène P, modifie la phosphoprotéine (P) ainsi que les protéines V et C. La deuxième se situe dans le gène de la protéine matricielle (M) et la dernière dans celui de la protéine d'attachement (H). Afin de déterminer les facteurs viraux impliqués lors de l'adaptation virale dans la culture primaire de kératinocytes, des virus recombinants contenant une, deux ou trois de ces mutations ont été analysés. La substitution d'un acide aminé dans la protéine M reste sans effet sur la production de particules virales. En revanche, la substitution d'un acide aminé dans la queue cytoplasmique de la protéine H s'avère clairement importante pour la formation de syncytia. Quant à la mutation dans le gène P, elle permet une augmentation de la réplication virale. Cependant, nous ne pouvons pas écarter l'hypothèse que l'augmentation de la réplication virale soit due aux substitutions d'un acide aminé dans les protéines accessoires V et C qui sont, elles aussi, affectées par la mutation dans le gène P. L'adaptation des souches sauvages de CDV aux cultures de cellules induit presque toujours des modifications de la protéine matricielle M. Afin de comprendre l'influence de ces modifications, nous avons testé 'des virus A75/17 recombinants contenant différentes protéines M. Les résultats préliminaires ont démontré que la protéine M de la souche adaptée aux cellules Vero réduisait la formation de syncytia. Les études futures seront axées sur la stabilité de l'ARN messager, celle de la protéine M, de son niveau d'expression, de sa localisation cellulaire et de son effet sur la formation de particules virale ainsi que sur le phénotype de l'infection.

p53 as a target for cancer vaccines: recombinant canarypox virus vectors expressing p53 protect mice against lethal tumor cell challenge.

The p53 protein is an attractive target for immunotherapy, because mutations in the p53 gene are the most common genetic alterations found in human tumors. These mutations result in high levels of p53 protein in the tumor cell, whereas the expression level of wild-type p53 in nonmalignant tissue is usually much lower. Several canarypox virus recombinants expressing human or murine p53 in wild-type or mutant form were constructed. Immunization with these viruses protected BALB/c mice from a challenge with an isogenic and highly tumorigenic mouse fibroblast tumor cell line expressing high levels of mutant p53. The tumor protection was equally effective regardless of whether wild-type or mutant p53 was used for the immunization, indicating that the immunologic response was not dependent on any particular p53 mutation and that immunization with this live virus vaccine works effectively against mutant p53 protein expressed in a tumor cell. In tumors escaping immunologic rejection, the expression of the p53 protein was commonly down-regulated.

Functional diversity of CD8+ T-cell subsets in chronic infection

Certains pathogènes tels que le virus de l'hépatite C ainsi que le virus de l'immunodéficience humaine sont capables de détourner les mécanismes de défense du système immunitaire adaptatif afin d'établir des infections chroniques chez l'homme. La souche clone-13 du virus de la chorioméningite lymphocytaire est utilisée comme modèle d'études d'infection virale chronique chez la souris. Les raisons qui expliqueraient la persistance de certains virus ne sont pas encore bien définies. Toutefois, il a été montré qu'une exposition prolongée à un environnement inflammatoire ainsi que la présence prolongée de l'antigène sont des facteurs qui vont déclencher un procédé de différentiation particulier des lymphocytes T CD8+. Ces cellules sur-expriment alors des récepteurs inhibiteurs tels que PD-1 tandis que leur capacité à produire des cytokines diminue. Ce procédé de différentiation est appelé « exhaustion » et serait à l'origine de la génération de réponses lymphocytaires non ou peu fonctionnelles entraînant de ce fait la persistance de l'infection. Néanmoins, il a également été démontré que ces lymphocytes maintiennent des fonctions effectrices et qu'ils permettent de limiter la réplication du virus. Afin d'étudier la fonction effectrice résiduelle de ces lymphocytes T, nous avons transféré des cellules provenant de souris infectées chroniquement dans des souris receveuses naïves qui ont à leur tour été infectées avec le virus. Grâce à ces expériences, nous avons démontré que les cellules transférées contiennent des cellules qui sont capables de i) re-proliférer, ii) de protéger les souris contre une infection virale, et de iii) survivre en l'absence d'antigène. Nous avons remarqué que les cellules stimulées de façon chronique maintiennent le même phénotype lorsqu'elles sont transférées dans des souris naïves soumises à une infection virale aiguë. Nous avons de ce fait conclu que les cellules stimulées chroniquement contiennent une sous-population de cellules qui comporte des attributs de cellules T mémoire. D'autre part, nous avons pu identifier le facteur de transcription Tcf-1 comme l'élément essential pour la génération des cellules T ressemblant à des cellules mémoires. D'autre part, nous avons étudié l'impact du niveau de stimulation via le récepteur des cellules T (TCR) sur le phénotype adopté par les lymphocytes T au cours d'une infection chronique. Dans ce but, nous avons généré des souches de virus recombinants qui expriment un épitope modifié de manière à réduire le niveau de stimulation via le TCR. D'autre part, nous avons utilisé un mélange de deux souches virales de manière à moduler spécifiquement la quantité d'un épitope tout en conservant la même charge virale. Nous avons montré que la quantité d'antigène avait plus d'influence sur le phénotype des lymphocytes T que la force d'interaction entre le complexe peptide-CMH et le TCR. De plus, l'apparition de ce phénotype ne semble pas avoir d'impact sur la prolifération des cellules en réponse à une infection primaire ou secondaire. Ainsi, nous proposons un modèle par lequel le procédé d'« exhaustion » des cellules T correspond à une différentiation cellulaire particulière qui est indépendante de la capacité de prolifération des cellules. De manière générale, ces découvertes apportent de nouvelles connaissances sur les sous-catégories de lymphocytes T CD8+ qui sont générés pendant une infection virale chronique. Nous pensons que la réponse effectrice du système immunitaire est maintenue pendant de longues périodes grâce à la présence de cellules par partagent certaines caractéristiques avec des cellules mémoires. L'étude approfondie de ces cellules peut avoir des implications importantes sur l'optimisation des stratégies utilisant l'immunothérapie pour combattre les infections chroniques et cancers.

Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.

The thermal stability of yellow fever vaccines

The assessment of yellow fever vaccine thermostability both in lyophilized form and after reconstitution were analyzed. Two commercial yellow fever vaccines were assayed for their thermal stability. Vaccines were exposed to test temperatures in the range of 8 (graus) C to 45 (graus) C. Residual infectivity was measured by a plaque assay using Vero cells. The titre values were used in an accelerated degradation test that follows the Arrhenius equation and the minimum immunizing dose was assumed to be 10 (ao cubo) particles forming unit (pfu)/dose. Some of the most relevant results include that (i) regular culture medium show the same degradation pattern of a reconstituted 17D-204 vaccine; (ii) reconstituted YF-17D-204 showed a predictable half life of more than six days if kept at 0 (graus) C; (iii) there are differences in thermostability between different products that are probably due to both presence of stabilizers in the preparation and the modernization in the vaccine production; (iv) it is important to establish a proper correlation between the mouse infectivity test and the plaque assay since the last appears to be more simple, economical, and practical for small laboratories to assess the potency of the vaccine, and (v) the accelerated degradation test appears to be the best procedure to quantify the thermostability of biological products.

The yellow fever 17D vaccine virus as a vector for the expression of foreign proteins: development of new live flavivirus vaccines

The Flaviviridae is a family of about 70 mostly arthropod-borne viruses many of which are major public health problems with members being present in most continents. Among the most important are yellow fever (YF), dengue with its four serotypes and Japanese encephalitis virus. A live attenuated virus is used as a cost effective, safe and efficacious vaccine against YF but no other live flavivirus vaccines have been licensed. The rise of recombinant DNA technology and its application to study flavivirus genome structure and expression has opened new possibilities for flavivirus vaccine development. One new approach is the use of cDNAs encopassing the whole viral genome to generate infectious RNA after in vitro transcription. This methodology allows the genetic mapping of specific viral functions and the design of viral mutants with considerable potential as new live attenuated viruses. The use of infectious cDNA as a carrier for heterologous antigens is gaining importance as chimeric viruses are shown to be viable, immunogenic and less virulent as compared to the parental viruses. The use of DNA to overcome mutation rates intrinsic of RNA virus populations in conjunction with vaccine production in cell culture should improve the reliability and lower the cost for production of live attenuated vaccines. The YF virus despite a long period ignored by researchers probably due to the effectiveness of the vaccine has made a come back, both in nature as human populations grow and reach endemic areas as well as in the laboratory being a suitable model to understand the biology of flaviviruses in general and providing new alternatives for vaccine development through the use of the 17D vaccine strain.

The early use of yellow fever virus strain 17D for vaccine production in Brazil - a review

The use of yellow fever (YF) virus 17D strain for vaccine production adapted in Brazil since its introduction in 1937 was reviewed. This was possible due to the availability of official records of vaccine production. The retrieved data highlight the simultaneous use of several serially passaged 17D substrain viruses for both inocula and vaccine preparation that allowed uninterrupted production. Substitution of these substrain viruses became possible with the experience gained during quality control and human vaccination. Post-vaccinal complications in humans and the failure of some viruses in quality control tests (neurovirulence for monkeys) indicated that variables needed to be reduced during vaccine production, leading to the development of the seed lot system. The 17DD substrain, still used today, was the most frequently used substrain and the most reliable in terms of safety and efficacy. For this reason, it is possible to derive an infectious cDNA clone of this substrain combined with production in cell culture that could be used to direct the expression of heterologous antigens and lead to the development of new live vaccines.

The yellow fever 17D vaccine virus: molecular basis of viral attenuation and its use as an expression vector

The yellow fever (YF) virus is the prototype flavivirus. The use of molecular techniques has unraveled the basic mechanisms of viral genome structure and expression. Recent trends in flavivirus research include the use of infectious clone technology with which it is possible to recover virus from cloned cDNA. Using this technique, mutations can be introduced at any point of the viral genome and their resulting effect on virus phenotype can be assessed. This approach has opened new possibilities to study several biological viral features with special emphasis on the issue of virulence/attenuation of the YF virus. The feasibility of using YF virus 17D vaccine strain, for which infectious cDNA is available, as a vector for the expression of heterologous antigens is reviewed