dc.contributor.advisor | Bøgwald, Jarl | |
dc.contributor.author | Fredriksen, Børge Nilsen | |
dc.date.accessioned | 2012-05-04T09:26:10Z | |
dc.date.available | 2012-05-04T09:26:10Z | |
dc.date.issued | 2012-06-07 | |
dc.description.abstract | Vaccines are regarded as the safest and most cost-effective strategy to prevent infectious diseases. For some diseases, vaccine improvements are required as protection levels are still inadequate. The key to solving this challenge might lie in the development of more efficacious vaccine delivery systems and adjuvants. Poly (lactide-co-glycolide) (PLGA) is a biodegradable polymer which has an extensive safety record in biological systems and possesses immunological adjuvant properties as injectable particles. In the present work, micro- and nanoparticles of PLGA and PLA were explored as a vaccine delivery system in Atlantic salmon (Salmo salar). The overall objectives were to investigate their adjuvant abilities in provoking innate and adaptive immune responses, forming antigen depots and inducing protective immunity in a challenge test with infectious pancreatic necrosis virus (IPNV).
Formulation parameters in preparation of polymeric particles were systematically optimized (paper IV) to achieve stable PLGA particle products containing co-entrapped model antigens and β-glucan (paper I and II), or virus particles of infectious pancreatic necrosis virus (IPNV) (paper III). Post immunization potency of nanoparticles (300-400 nm) was demonstrated by their ability to induce early innate responses (day 2, 4 and 8) at transcription levels equal to or higher than the oil-adjuvanted formulation (paper I). Temporal differences in expression levels of innate markers were observed, suggesting rapid systemic distribution of particles (paper I). By tracing of isotope labelled proteins, nanoparticles (˂ 1000 nm) were found to localize antigens in the head kidney while micro-sized (~ 8 µm) particles generally retained antigen at the injection site. Irrespective of size, particles made of polymers with high molecular weight (MW) generally had superior depot capabilities compared to their low MW counterparts (paper II). Adaptive immune responses to immunization were assessed by QPCR and ELISA. T cell markers were not differentially expressed at the selected early time points (paper I), but at day 60 and 75 antibody responses were found to be elevated (paper II and III). In a dose-response study, micro- but not nanoparticles were demonstrated to be equally potent compared to the oil-adjuvanted control group with regard to induction of antibody responses. Long-term antibody responses induced by particles were generally less robust and therefore declined towards the end of the experimental period (120 days), while responses induced by the oil-adjuvanted formulation progressively increased. Following immunization, antibody responses were not related to polymer qualities or the ability of particles to depot or distribute antigens. Scoring of side effects demonstrated excellent safety profiles for the particle formulations (paper II and discussed in paper V). In paper III, vaccine efficacy was tested in a cohabitation challenge with IPN. Survival rates for the nanoparticle vaccinated groups were comparable to the non-vaccinated control fish and demonstrated that their ability to induce protection against IPN was inferior to the oil-adjuvanted vaccines. Virus re-isolation from head kidney and blood during the challenge period did however demonstrate some level of protection as the nanoparticle vaccinated groups were able to delay the IPNV infection.
In the presented studies, the principal adjuvant properties of PLGA particles in Atlantic salmon have been demonstrated to include their capacity to induce strong innate responses and provide antigen depots for long-term delivery of antigens. In addition, indication of particle presence in lymphoid organs was an interesting finding that could suggest a certain targeting effect to phagocytic cells. To achieve a better understanding of how PLGA particles may be used to direct immune responses in salmon, more detailed studies on particle qualities-cell interactions/responses are required. | en |
dc.description.doctoraltype | ph.d. | en |
dc.description.popularabstract | Vaksiner er ansett som den sikreste og mest kostnadseffektive strategien for å forebygge smittsomme sykdommer. Mot noen sykdommer er beskyttelsen etter vaksinering fremdeles uttilstrekkelig og forbedringer av vaksinen nødvendig. Nøkkelen til å løse denne utfordringen kan ligge i utvikling av mer effektive vaksineleveringssystemer og adjuvanser. Poly (lactide-co-glycolide) (PLGA) er et nedbrytbar polymer som i en rekke studier har vist seg å være svært kompatibelt med bruk i biologiske systemer, samtidig som injiserbare partikler av PLGA innehar viktige immunologiske adjuvantegenskaper. I dette arbeidet har mikro-og nanopartikler av PLGA og PLA blitt utforsket som et alternativt vaksinekonsept til atlantisk laks (Salmo salar). Hensikten med arbeidet var blant annet å undersøke partiklenes evne til å framprovosere innate (medfødte) og adaptive immunresponser, fungere som antigendepoter og indusere beskyttende immunitet i en smittetest med infeksiøs pankreas nekrose virus (IPNV).
Ved en systematisk tilnærming ble formuleringsparametrene for produksjon av partikler optimalisert (artikkel IV) for å oppnå stabile PLGA partikler inneholdende modellantigener og β-glukan (artikkel I og II), eller viruspartikler av infeksiøs pankreas nekrose virus (IPNV) (artikkel III). Nanopartikler (300-400 nm) viste seg å være svært effektive i å indusere innate immunresponser (dag 2, 4 og 8 etter immunisering). På transkripsjonsnivå (mRNA) var responsene like eller høyere enn responsene etter immunisering med en olje-adjuvans (artikkel I). Temporale forskjeller i uttrykket av innate markører ble observert, noe som antydet rask systemisk distribusjon av partikler (artikkel I). Bruk av isotopmerkede proteiner viste at nanopartiklene (˂ 1000 nm) i stor grad bidro til å lokalisere antigenene til hodenyren, mens mikropartiklene (~ 8 µm) generelt holdt antigenet igjen på injeksjonsstedet. Uavhengig av størrelse hadde partikler laget av polymerer med høy molekylvekt (MW) større kapasitet til deponere antigener i forhold til partikler laget av polymerer med lav MW (artikkel II). Adaptive immunresponser ble analysert ved bruk av QPCR og ELISA. QPCR-analyser viste at T-celleresponsene ikke ble oppregulert i hodenyren eller milten de første dagene etter immunisering (artikkel I), men ved dag 60 og 75 var antistoffresponsene forhøyet i forhold til den negative kontrollgruppen (artikkel II og III). I et dose-respons studie ble mikro-, men ikke nanopartikler vist å være like potent i forhold til olje-adjuvansen med hensyn til induksjon av antistoffresponser. Antistoffresponsene etter immunisering med partikler var generelt mindre robuste i forhold til etter immunisering med en olje-basert adjuvans, hvor antistoffresponsen gradvis økte i løpet av den eksperimentelle perioden (120 dager). Antistoffresponser kunne generelt ikke er relateres til egenskaper ved polymeret eller partiklenes evne til å deponere eller distribuere antigener. Evaluering av bivirkninger i bukhulen etter immunisering med nano- og mikropartikler viste at disse formuleringene forårsaker svake eller ingen sammenvoksninger, men at melanindeponeringen er noe høyere i forhold hos uvaksinert fisk (artikkel II og diskutert artikkel i V). I artikkel III ble vaksineeffekt testet i et kohabitantstudie med IPN. Overlevelsen for de gruppene som ble vaksinert med nanopartikler var sammenlignbare med den uvaksinerte kontrollgruppen og resultatene viste dessuten at partiklenes evne til å indusere beskyttelse mot IPN var dårligere enn beskyttelsen etter vaksinering med en inaktivert helvirusvaksine med olje-adjuvans. Re-isolering av virus fra hodenyren og blod i løpet av smitteperioden viste imidlertid at nanopartiklene hadde noen grad av beskyttelse ettersom disse gruppene var i stand til å utsette IPNV infeksjonen.
Studiene i denne avhandlingen viser at adjuvantegenskapene PLGA partikler har ved immunisering av atlantisk laks inkluderer deres evne til å indusere sterke innate responser og deponere antigener for langtidseksponering til immunceller. Indikasjon på tilstedeværelse av partikler i lymfoide organer en et interessant funn som antyder at partiklene kan benyttes til målrettet levering av antigener til fagocyttiske celler. For å oppnå en bedre forståelse av hvordan PLGA partikler kan brukes til dirigere immunresponsen hos laks, bør fremtidige studier fokusere på hvordan partiklenes egenskaper endrer celleinteraksjoner og opptak. | en |
dc.description.sponsorship | Financial support was provided by the Research Council of Norway (contract numbers 172508 and 183204), the University of Tromsø and Tromsø forskningsstiftelse. | en |
dc.description | Papers 1-4 of this thesis are not available in Munin: <br/>1. B.N. Fredriksen, K. Sævareid, L. McAuley, M.E. Lane, J. Bøgwald and R.A. Dalmo.: 'Early immune responses in Atlantic salmon (Salmo salar L) after immunization with PLGA
nanoparticles loaded with a model antigen and β-glucan', Vaccine (2011) 29(46):8338-8349. Available at <a href=http://dx.doi.org/10.1016/j.vaccine.2011.08.087>http://dx.doi.org/10.1016/j.vaccine.2011.08.087</a> <br/>2. B.N. Fredriksen and J. Grip.: 'PLGA/PLA micro- and nanoparticle formulations serve as antigen depots and induce elevated humoral responses after immunization of Atlantic salmon (Salmo salar L)', Vaccine (2012) 30(3):656-667. Available at <a href=http://dx.doi.org/10.1016/j.vaccine.2011.10.105>http://dx.doi.org/10.1016/j.vaccine.2011.10.105</a> <br/>3. H.M. Munang‟andu, B. N. Fredriksen, S. Mutoloki, B. Brudeseth, T.Y. Kuo, I. S. Marjara, R.A.
Dalmo and Ø. Evensen.: 'Comparison of vaccine efficacy for different antigen delivery systems for infectious pancreatic necrosis virus vaccines in Atlantic salmon (Salmo salar L)' (submitted manuscript). <br/>4. B.N. Fredriksen, L.B. Hølvold, J.Bøgwald and R.A. Dalmo.: 'Optimization of formulation variables to increase antigen entrapment in PLGA particles' (submitted manuscript). | en |
dc.identifier.isbn | 978-82-8266-032-7 | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10037/4153 | |
dc.identifier.urn | URN:NBN:no-uit_munin_3872 | |
dc.language.iso | eng | en |
dc.publisher | University of Tromsø | en |
dc.publisher | Universitetet i Tromsø | en |
dc.rights.accessRights | openAccess | |
dc.rights.holder | Copyright 2012 The Author(s) | |
dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0 | en_US |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-NC-SA 3.0) | en_US |
dc.subject | VDP::Landbruks- og Fiskerifag: 900::Fiskerifag: 920::Fiskehelse: 923 | en |
dc.subject | VDP::Agriculture and fishery disciplines: 900::Fisheries science: 920::Fish health: 923 | en |
dc.title | PLGA and PLA particles as vaccine delivery systems for Atlantic salmon : a study on formulation and use with an emphasis on immune responses | en |
dc.type | Doctoral thesis | en |
dc.type | Doktorgradsavhandling | en |