Evaluation of the recombinant protein nanoparticle based rotavirus vaccine candidate

Abstract

Rotavirus A specifically is capable of infecting humans leading to intestinal disease. Each year, approximately 146,000 to 215,000 deaths caused by rotavirus infection are reported. Rotavirus A P[8] ,P[4] and P[6] serotypes are occurring worldwide. Two oral live vaccines to prevent rotavirus infection, RotaTeq® (Merck, Rahway, NJ, USA) and Rotarix® (GlaxoSmithKline, GSK, Brentford, UK) were developed and approved by the FDA. However, oral live vaccine efficiency was less than 50% in low-income countries and has side effect. VP8 protein of rotavirus A is a vaccine candidate to prevent rotavirus infection and was reported major target of neutralized antibody against rotavirus infection. However, subunit vaccine using only recombinant protein showed low immunogenic properties. To increase immunogenicity, we constructed VP8* protein to nanoparticle form by conjugation of encapsulin (ENC). P[8], P[4] and P[6] serotypes of encapsulin conjugated VP8 (ENC-VP8*) has been confirmed to form nanoparticle using TEM and the biological function of ENC-VP8* was examined using HBGA binding assay. The monovalent or trivalent VP8* vaccine was inoculated into mice with three times to confirm the immune response. Immunization of ENC-VP8 induced binding antibody to more than immunization of P2-VP8* protein in ELISA result. Neutralized antibody titer induced by immunization of ENC-VP8* was identified through PRNT assay and HBGA blocking assay. Those result showed that ENC-VP8* forms nanoparticle and binds to HBGA. An evaluation method was established to measure antibody response and T cell response to evaluate the efficacy of rotavirus vaccine. This evaluation method compared the efficacy of encapsulin-based nanoparticle and recombinant protein-based P2-VP8* of P[8], P[4], and P[6] serotype, showing that ENC-VP8* induces highly neutralizing antibody against rotavirus infection in mice more than immunization of P2-VP8* protein. Therefore, we have shown that ENC-VP8* is an effective vaccine candidate to prevent P[8], P[4], and P[6] serotype of rotavirus infection.|로타바이러스 A 는 사람에게 감염되어 장염을 일으키는 바이러스로 P[8] ,P[4], P[6] 세가지 혈청형의 바이러스가 전세계적으로 유행하고 있다. 매년 146,000 ~ 215,000 명의 사람들이 로타바이러스 감염으로 사망한다고 보고되고 있으며 이를 예방하기 위해서 경구 생백신 제형의 RotaTeq® (Merck)와 Rotarix® (GlaxoSmithKline, GSK)가 개발되어 전 세계적으로 사용되고 있다. 하지만 일부 국가에서 생백신의 효능이 떨어지고 부작용이 나타나는 사례가 있으며 이 때문에 안전하고 효과적인 새로운 로타바이러스 백신 개발이 필요하다. 로타바이러스 A의 VP8은 로타바이러스 감염을 예방하기위한 중화항체가 결합하는 단백질로 로타바이러스 감염을 예방하기 위한 백신 후보 물질이다. 하지만 재조합 단백질 제형의 백신을 접종할 경우 낮은 면역원성을 보이는 한계가 있으며 이를 극복하기 위해 면역보조제를 이용하는 등 면역원성을 증진시킬 방법이 필요하다. 또한 P[8] ,P[4], P[6]간의 낮은 서열 유사성으로 인해 3가 백신으로 접종할 필요가 있다. 본 연구에서는 로타바이러스 VP8의 면역원성을 증진시키기 위해 박테리아 단백질인 엔켑슐린을 이용하여 나노입자 형태로 만들어 주었다. P[8] ,P[4], P[6] 세 가지 혈청형의 ENC-VP8*이 나노입자 형태를 이루는 것을 투사전자현미경을 이용해 확인하였으며 생물학적 특성을 HBGA binding assay를 이용하여 분석하였다. 이후 단가 또는 3가의 VP8* 백신을 마우스에 3번 접종하여 면역반응을 확인하였고 ELISA 결과, ENC-VP8*이 P2-VP8*보다 높은 결합항체 반응을 유도한 것을 보았다. 또한 PRNT assay와 HBGA blocking assay를 이용하여 중화항체 반응을 보았을 때도 ENC-VP8*이 더 높은 항체 반응을 유도하였다. 본 연구를 통하여 ENC-VP8*이 나노입자를 이루는 것을 확인하였으며 HBGA에 결합하는 것 또한 확인하였다. 또한 로타바이러스 백신의 효능을 평가하기 위한 항체 반응과 T 세포 반응을 측정하는 평가법을 확립하였으며 이를 이용해 VP8* 나노입자 백신이 재조합 단백질 백신보다 효과적으로 면역반응을 유도한 것으로 로타바이러스 예방을 위한 효과적인 백신 후보물질임을 확인하였다.