Injektierbarer Gerüstimpfstoff bietet starken Schutz gegen implantatbedingte MRSA.

Forscher haben einen injizierbaren Silikonschaum entwickelt, der das Immunsystem trainiert, S. aureus bei medizinischen Implantaten anzugreifen. Dies reduziert die Bakterienlast drastisch und kann sogar in einigen Tieren die Infektion vollständig beseitigen.

Studie: Impfstoff auf Basis von Scaffolds zur Prävention von Infektionen bei orthopädischen Geräten Bildnachweis: Connect Images – Curated/Shutterstock.com

In einer aktuellen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, untersuchten Forscher, ob eine Impfstrategie mit Scaffolds Infektionen, die mit orthopädischen Geräten verbunden sind, mildern oder verhindern kann.

Warum Staph-Infektionen orthopädische Implantate komplizieren

Staphylococcus aureus ist die weltweit häufigste Ursache für bakterielle Todesfälle und ist jährlich für über eine Million Todesfälle verantwortlich. Medizinische Implantate erhöhen das Risiko einer S. aureus-Infektion, wobei Infektionen bei orthopädischen Geräten besonders verheerend sind, da sie eine lange Antibiotikabehandlung und Überarbeitungschirurgien erfordern.

Eine Impfung könnte eine attraktive Strategie für Personen sein, die ein Implantat benötigen. Allerdings sind mehrere Impfstoffversuche gescheitert, S. aureus-Infektionen nach einer Operation zu verhindern.

Die Autoren entwickelten zuvor eine alternative Impfstoffplattform auf der Grundlage eines biologisch abbaubaren, injizierbaren Scaffolds aus mesoporösen Silikatstäben, die angeordnete Nanoporen enthalten, um das Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierende Faktor zu liefern, um dendritische Zellen (DCs) zu rekrutieren. Scaffold-Impfstoffe mit pathogenassoziierten molekularen Mustern (PAMPs) von Escherichia coli zeigen eine Mortalitätsminderung bei Enterobacter-Infektionen, was darauf hindeutet, dass PAMPs eine breite Immunität induzieren können.

PAMP-beladene Scaffolds übertreffen traditionelle Impfstrategien

In der vorliegenden Studie untersuchten die Forscher, ob Impfungen mit Scaffolds Staphylokokken-Infektionen im Zusammenhang mit orthopädischen Geräten verhindern oder mildern können. Mäuse erhielten am Tag 0 eine subkutane Injektion von Kochsalzlösung (naiv), Scaffold, das Chemokin und Adjuvans enthielt (scaffold ohne Antigen), ein Bolus-Impfstoff (der Chemokin, Antigen und Adjuvans in Kochsalzlösung enthält) oder einen Scaffold-Impfstoff (der Chemokin, Antigen und Adjuvans enthält). PAMPs, die aus dem S. aureus Xen29-Stamm gewonnen wurden, wurden als Impfstoffantigen verwendet.

Am Tag 7 wurden die Mäuse euthanasiert und ihre Milzen sowie Gewebe vom Injektionsort entnommen. Die Milzen aus der Impfstoff-Scaffold-Gruppe waren fast dreimal und zweimal so schwer wie die aus den naiven und Scaffold ohne Antigen Gruppen. Es zeigte sich ein Trend zu einer Zunahme der Anzahl der Cluster von Differenzierung 11c-positiven (CD11c+) Zellen, die typischerweise DCs darstellen, am Injektionsort in der Scaffold-Impfgruppe.

Die Milzen aus der Scaffold-Impfgruppe hatten signifikant mehr CD11c+ Zellen, wobei die Mehrheit (>72 %) das Haupthistokompatibilitäts-Komplex Klasse II (MHC II) co-exprimierte, ein Marker für die Aktivierung von DCs. Darüber hinaus hatte die Scaffold-Impfgruppe signifikant höhere Kombinationen von Serumzytokinen, die mit dem T-Helfer 1-Zell (Th1)-Phänotyp assoziiert sind, einschließlich Interleukin (IL)-2, IL-7, IL-1β, IL-12p70, Tumornekrosefaktor-alpha und Interferon-gamma (IFN-γ), im Vergleich zur naiven Gruppe.

Die Bolus-Impfstoff- und Scaffold-Impfgruppen hatten signifikant höhere Th17-assoziierte Zytokine als die naive Gruppe. Anschließend wurden die geimpften Milzzellen erneut dem bakteriellen Antigen ausgesetzt, um die zellvermittelte Immunität zu beurteilen. Die IFN-γ-Expression wurde als Indikator für die spezifische Th1-vermittelte Antwort auf das Antigen gemessen. Nur Mäuse, die Antigen enthaltende Impfstoffe erhielten, zeigten eine signifikant erhöhte IFN-γ-Expression im Vergleich zu naiven Mäusen.

Bemerkenswert ist, dass die Scaffold-Impfgruppe eine signifikant größere IFN-γ-Expression im Vergleich zur Bolus-Impfgruppe aufwies. Darüber hinaus wurden geimpfte Tiere am Tag 35 mit einer S. aureus-Infektion bei orthopädischen Geräten konfrontiert. Naive Mäuse wurden entweder nicht infiziert (uninfiziert) oder ohne Impfung infiziert (nicht behandelt). Andere Gruppen wurden mit 1.000 koloniebildenden Einheiten (KBE) des S. aureus Xen29 herausgefordert.

Zwei Wochen später zeigte nur die unbehandelte Gruppe einen anhaltenden Gewichtsverlust im Vergleich zu den uninfizierten Kontrollen. Alle infizierten Gruppen wiesen höhere Anti-S. aureus-IgG-Werte auf, wobei die Scaffold-Impfung deutlich höhere Anti-S. aureus-Titer als die Scaffold ohne Antigen-, unbehandelte und uninfizierte Gruppen aufwies. Am Tag 49 wurden die Tiere euthanasiert, um Implantate und biofilminfizierte Mikroben zu sammeln. Aus der uninfizierten Gruppe wurden keine Bakterien isoliert.

Bakterien wurden aus anderen Gruppen isoliert, wobei die Scaffold-Impfgruppe die geringste Bakterienlast hatte. Bemerkenswert ist, dass eine Teilgruppe von mit Scaffold geimpften Mäusen keine nachweisbaren Bakterien im Implantat aufwies, was in einigen Fällen auf eine potenzielle steril machende Immunität hindeutet. Darüber hinaus stellte die Reduktion der Bakterienlast mit der Scaffold-Impfung einen Rückgang von etwa 2,4 Log (ungefähr 250-fach) im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen dar, was auf einen großen Schutz hinweist.

Antikörper, die durch Scaffold-Impfung erzeugt werden, erkennen mehrere Staphylokokken-Stämme

Das Team untersuchte, ob die Scaffold-Impfung gegen verschiedene Stämme von S. aureus schützen würde. Serumproben aus der Scaffold-Impfgruppe wurden gegen andere methicillin-resistente S. aureus (MRSA)-Stämme (JE2 und NRS699lux) sowie methicillin-sensible S. aureus-Stämme (UAMS-1 und RN4220) getestet. Das Serum von Empfängern der Scaffold-Impfung zeigte signifikante Bindung an alle getesteten Stämme.

Außerdem wurden nicht geimpfte Mäuse und Empfänger der Scaffold-Impfung mit Implantaten, die mit dem MRSA-Stamm NRS699lux inokuliert waren, herausgefordert. Die Implantate der Mäuse, die die Scaffold-Impfung erhielten, hatten am Ende des Experiments eine signifikant niedrigere Belastung von NRS699lux.

Schließlich wurde das eisenregulierte Oberflächenbestimmungsprotein B (IsdB), das zweithäufigste Protein innerhalb des verwendeten PAMP-Pools, als Impfstoffantigen bewertet. Mäuse wurden mit Bolus-IsdB, Scaffold-IsdB oder dem PAMP-basierten Scaffold-Impfstoff geimpft und mit einer Xen29-Infektion konfrontiert. Die Scaffold-Impfung mit PAMPs oder IsdB als Antigen war überlegen gegenüber Bolus-IsdB hinsichtlich der Reduzierung der Bakterienlast.

Die Lieferung über Scaffolds stärkt den Infektionsschutz bei Implantaten

Die Scaffold-Impfung mit S. aureus Xen29 PAMPs als Antigen wurde gut vertragen und trug erfolgreich zur Induktion einer Th1-assoziierten Immunität bei, während die Bakterienlast bei Mäusen mit orthopädischen Gerät-Infektionen verringert wurde. Ihre schützende Wirkung war auch auf einen anderen S. aureus-Stamm übertragbar.

Darüber hinaus milderte die Scaffold-Impfung auf Basis eines Proteinantigens die Infektion. Insgesamt könnte die Scaffold-Impfung eine robustere Immunität in Fällen ermöglichen, in denen konventionelle Bolus-Impfstoffe unwirksam waren.

Laden Sie jetzt Ihre PDF-Kopie herunter!

Quellen: