Таргетная вакцинация против стрептококка группы A: рекомбинантная вакцина с фрагментами ScpA и SpeA

Цель – разработка вакцины против стрептококков группы А (S. pyogenes, СГА) – возбудителя широкого спектра инфекций различной степени тяжести. Для клонирования генов рекомбинантных белков использовали экспрессионные вектора pET27 и pQE30. Для иммунизации использовали аффинно-очищенные полипептиды. Самок мышей иммунизировали дважды подкожно полипептидами в дозе 20 мкг/мышь с адъювантом Alum (2:1) с интервалом в 3 недели. Образцы иммунных сывороток исследовали методом ИФА. Для оценки специфической защитной эффективности иммунного ответа через 3 недели после последней инъекции мышей внутрибрюшинно заражали СГА M1 серотипа в дозе 5 × 10⁷ КОЕ/мышь. Защитную эффективность вакцинации оценивали путем сравнения скорости бактериального клиренса у вакцинированных и контрольных животных, о чем судили по бактериальной нагрузке в селезенке через 3 и 15 часов после заражения. Конструкция вакцины представляет собой гибридную молекулу, состоящую из фрагментов, полученных из двух ключевых белков СГА: пептидазы C5a (ScpA) и экзотоксина SpeA. Используя биоинформатический анализ, мы идентифицировали и выбрали для включения в состав рекомбинантного белка Т- и В-клеточные эпитопы в консервативных регионах, общих для разных серотипов СГА. Посредством стратегии интеграции этих фрагментов предполагается усилить защиту от штаммов СГА, несущих экзотоксин, особенно тех, которые связаны с инвазивными инфекциями. Оценка иммуногенности на моделях мышей продемонстрировала сильный гуморальный иммунный ответ после парентеральной вакцинации, направленный на оба компонента гибридной молекулы. Последующая оценка защитной эффективности против внутрибрюшинного введения СГА выявила ускорение бактериального клиренса у вакцинированных животных, при этом фрагмент SpeA проявлял значительный защитный эффект. Представленные результаты демонстрируют потенциал полученной рекомбинантной химерной вакцины как многообещающего кандидата для разработки вакцины против стрептококков группы А, удовлетворяющей острую потребность в эффективных профилактических стратегиях против патологий, вызванных СГА.

1. Aranha M.P., Penfound T.A., Salehi S., Botteaux A., Smeesters P., Dale J.B., Smith J.C. Design of Broadly Cross-Reactive M Protein-Based Group A Streptococcal Vaccines. J. Immunol., 2021, Vol. 207, no. 4, pp. 1138-1149.

2. Azuar A., Jin W., Mukaida S., Hussein W.M., Toth I., Skwarczynski M. Recent Advances in the Development of Peptide Vaccines and Their Delivery Systems Against Group A Streptococcus. Vaccines, 2019, Vol. 7, no. 3, 58. doi: 10.3390/vaccines7030058.

3. Baker M., Gutman D.M., Papageorgiou A.C., Collins C.M., Acharya K.R. Structural features of a zinc binding site in the superantigen streptococcal pyrogenic exotoxin A (SpeA1): implications for MHC class II recognition. Protein Sci., 2001, Vol. 10, no. 6, pp. 1268-1273.

4. Bi S., Xu M., Zhou Y., Xing X., Shen A., Wang B. A Multicomponent Vaccine Provides Immunity against Local and Systemic Infections by Group A Streptococcus across Serotypes. mBio, 2019, Vol. 10, no. 6, e02600-19. doi: 10.1128/mBio.02600-19.

5. BLAST: Basic Local Alignment Search Tool. National Center for Biotechnology Information. Available at: blast.ncbi.nlm.nih.gov/.

6. Chauhan S., Khasa Y.P. Challenges and Opportunities in the Process Development of Chimeric Vaccines. Vaccines, 202, Vol. 11, no. 12, 1828. doi: 10.3390/vaccines11121828.

7. Cheng Q., Carlson B., Pillai S., Eby R., Edwards L., Olmsted S.B., Cleary P. Antibody against surface-bound C5a peptidase is opsonic and initiates macrophage killing of group B streptococci. Infect. Immun., 2001, Vol. 69, no. 4, pp. 2302-2308.

8. Cornaglia G., Ligozzi M., Mazzariol A., Valentini M., Orefici G., Fontana R. Rapid increase of resistance to erythromycin and clindamycin in Streptococcus pyogenes in Italy, 1993–1995. The Italian surveillance group for antimicrobial resistance. Emerg. Infect. Dis., 1996, Vol. 2, pp. 339-342.

9. Desjardins M., Delgaty K.L., Ramotar K., Seetaram C., Toye B. Prevalence and mechanisms of erythromycin resistance in Group A and Group B Streptococcus: Implications for reporting susceptibility results. J. Clin. Microbiol., 2004, Vol. 42, pp. 5620-5623.

10. Fulurija A., Cunningham M.W., Korotkova N., Masterson M.Y., Bansal G.P., Baker M.G., Cannon J.W., Carapetis J.R., Steer A.C. Research opportunities for the primordial prevention of rheumatic fever and rheumatic heart disease-streptococcal vaccine development: a national heart, lung and blood institute workshop report. BMJ Glob. Health, 2023, Vol. 8, Suppl. 9, e013534. doi: 10.1136/bmjgh-2023-013534.

11. Gao N.J., Uchiyama S., Pill L., Dahesh S., Olson J., Bautista L., Maroju S., Berges A., Liu J.Z., Zurich R.H., et al. Site-Specific Conjugation of Cell Wall Polyrhamnose to Protein SpyAD Envisioning a Safe Universal Group A Streptococcal Vaccine. Infect. Microbes Dis., 2010, Vol. 3, pp. 87-100.

12. Gupalova T., Leontieva G., Kramskaya T., Grabovskaya K., Bormotova E., Korjevski D., Suvorov A. Development of experimental GBS vaccine for mucosal immunization. PLoS One, 2018, Vol. 13, no. 5, e0196564. doi: 10.1371/journal.pone.0196564.

13. Kaul R., McGeer A., Norrby-Teglund A., Kotb M., Schwartz B., O’Rourke K, Talbot J., Low D.E.. Intravenous immunoglobulin therapy for streptococcal toxic shock syndrome – a comparative observational study. The Canadian Streptococcal Study Group. Clin. Infect. Dis., 1999, Vol. 28, no. 4, pp. 800-807.

14. Kuo C.F., Tsao N., Hsieh I.C., Lin Y.S., Wu J.J., Hung Y.T. Immunization with a streptococcal multiple-epitope recombinant protein protects mice against invasive group A streptococcal infection. PLoS One, 2017, Vol. 12, no. 3, e0174464. doi: 10.1371/journal.pone.0174464.

15. Lapthorne S., McWade R., Scanlon N., Ní Bhaoill S., Page A., O’Donnell C., Dornikova G., Hannan M., Lynch B., Lynch M., Brady D. Rising clindamycin resistance in group A Streptococcus in an Irish healthcare institution. Access Microbiol., 2024, Vol. 6, no. 6, 000772.v4. doi: 10.1099/acmi.0.000772.v4.

16. Linnér A., Darenberg J., Sjölin J., Henriques-Normark B., Norrby-Teglund A. Clinical efficacy of polyspecific intravenous immunoglobulin therapy in patients with streptococcal toxic shock syndrome: A comparative observational study. Clin. Infect. Dis., 2014. Vol. 59, pp. 851-857.

17. Lynskey N.N., Reglinski M., Calay D., Siggins M.K., Mason J.C., Botto M., Sriskandan S. Multi-functional mechanisms of immune evasion by the streptococcal complement inhibitor C5a peptidase. PLoS Pathog., 2017, Vol. 13, no. 8, e1006493. doi: 10.1371/journal.ppat.1006493.

18. Martín-Delgado M.C., De Lucas Ramos P., García-Botella A., Cantón R., García-Lledó A., Hernández-Sampelayo T., Gómez-Pavón J., González Del Castillo J., Martín Sánchez F.J., Martínez-Sellés M., Molero García J.M., Moreno Guillén S., Rodríguez-Artalejo F.J., Ruiz-Galiana J., Burillo A., Muñoz P., Calvo Rey C., Catalán-González M., Cendejas-Bueno E., Halperin-Benito V, Recio R., Viñuela-Benítez C., Bouza E. Invasive group A Streptococcus infection (Streptococcus pyogenes): Current situation in Spain. Rev. Esp. Quimioter., 2024, martin30jul2024. doi: 10.37201/req/067.2024.

19. Mascini E.M., Jansze M., Schellekens J.F.P., Musser J.M., Faber J.A.J., Verhoef-Verhage L.A.E., Schouls L., van Leeuwen W.J., Verhoef J., van Dijk H. Invasive group A streptococcal disease in the Netherlands: Evidence for a protective role of anti-exotoxin A antibodies. J. Infect. Dis., 2000, Vol. 181, pp. 631-638.

20. McCabe S., Bjånes E., Hendriks A., Wang Z., van Sorge N.M., Pill-Pepe L., Bautista L., Chu E., Codée J.D.C., Fairman J., Kapoor N., Uchiyama S., Nizet V. The Group A Streptococcal Vaccine Candidate VAX-A1 Protects against Group B Streptococcus Infection via Cross-Reactive IgG Targeting Virulence Factor C5a Peptidase. Vaccines, 2023, Vol. 11, no. 12, 1811. doi: 10.3390/vaccines11121811.

21. McKenna S., Huse K.K., Giblin S., Pearson M., Majid A., Shibar M.S., Sriskandan S., Matthews S., Pease J.E. The Role of Streptococcal Cell-Envelope Proteases in Bacterial Evasion of the Innate Immune System. J. Innate Immun., 2022, Vol. 14, no. 2, pp. 69-88.

22. Monteiro R.C., van De Winkel J.G. IgA Fc receptors. Annu. Rev. Immunol., 2003, Vol. 21, pp. 177-204.

23. Moreira M., Ferreira P.R., Sarmento A., Cardoso A.L. Bacterial Tracheitis: A New Presentation of a Well-Known Disease. Cureus, 2024, Vol. 16, no. 7, e63697. doi: 10.7759/cureus.63697.

24. Müller-Alouf H., Geoffroy C., Geslin P., Bouvet A., Felten A., Günther E., Ozegowski J.H., Alouf J.E. Streptococcal pyrogenic exotoxin A, streptolysin O, exoenzymes, serotype and biotype profiles of Streptococcus pyogenes isolates from patients with toxic shock syndrome and other severe infections. Zentralbl. Bakteriol., 1997, Vol. 286, pp. 421-433.

25. Nasr-Eldahan S., Attia Shreadah M., Maher A.M., El-Sayed Ali T., Nabil-Adam A. New vaccination approach using formalin-killed Streptococcus pyogenes vaccine on the liver of Oreochromis niloticus fingerlings. Sci. Rep., 2024, Vol. 14, no. 1, 18341. doi: 10.1038/s41598-024-67198-0.

26. NCBI Home. U.S. National Library of Medicine, National Center for Biotechnology Information. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/.

27. Nixon J., Hennessy J., Baird R.W. Tracking trends in the Top End: clindamycin and erythromycin resistance in Group A Streptococcus in the Northern Territory, 2012-2023. Commun. Dis. Intell. (2018), 2024, 48. doi: 10.33321/cdi.2024.48.31.

28. Oliver-Gutierrez D., van der Veen R.L.P., Ros-Sánchez E., Segura-Duch G., Alonso T., Herranz-Cabarcos A., Matas J., Castro Seco .R, Arcediano M.Á., Zapata M.Á., Oliveres J. Periorbital necrotizing fasciitis: clinical perspectives on nine cases. Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis., 2024, Vol. 43, no. 10, pp. 2053-2059.

29. Panchaud A., Guy L., Collyn F., Haenni M., Nakata M., Podbielski A., Moreillon P., Roten C.A. M-protein and other intrinsic virulence factors of Streptococcus pyogenes are encoded on an ancient pathogenicity island. BMC Genomics, 2009, Vol. 10, 198. doi: 10.1186/1471-2164-10-198.

30. Pastural É., McNeil S.A., MacKinnon-Cameron D., Ye L., Langley J.M., Stewart R., Martin L.H., Hurley G.J., Salehi S., Penfound T.A., Halperin S., Dale J.B. Safety and immunogenicity of a 30-valent M protein-based group a streptococcal vaccine in healthy adult volunteers: A randomized, controlled phase I study. Vaccine, 2020, Vol. 38, no. 6, pp. 1384-1392.

31. Pietrocola G., Arciola C.R., Rindi S., Montanaro L., Speziale P. Streptococcus agalactiae Non-Pilus, Cell Wall-Anchored Proteins: Involvement in Colonization and Pathogenesis and Potential as Vaccine Candidates. Front. Immunol., 2018, Vol. 9, 602. doi: 10.3389/fimmu.2018.00602.

32. Rampersadh K., Engel K.C., Engel M.E., Moodley C. A survey of antibiotic resistance patterns among Group A Streptococcus isolated from invasive and non-invasive infections in Cape Town, South Africa. Heliyon, 2024, Vol. 10, no. 13, e33694. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e33694.

33. Reglinski M., Lynskey N.N., Choi Y.J., Edwards R.J., Sriskandan S. Development of a multicomponent vaccine for Streptococcus pyogenes based on the antigenic targets of IVIG. J. Infect., 2016, Vol. 72, pp. 450-459.

34. Rivera-Hernandez T., Rhyme M.S., Cork A.J., Jones S., Segui-Perez C., Brunner L., Richter J., Petrovsky N., Lawrenz M., Goldblatt D., Collin N., Walker M.J. Vaccine-Induced Th1-Type Response Protects against Invasive Group A Streptococcus Infection in the Absence of Opsonizing Antibodies. mBio, 2020, Vol. 11, no. 2, e00122-20. doi: 10.1128/mBio.00122-20.

35. Rivera-Hernandez T., Pandey M., Henningham A., Cole J., Choudhury B., Cork A.J., Gillen C.M., Ghaffar K.A., West N.P., Silvestri G. Differing Efficacies of Lead Group A Streptococcal Vaccine Candidates and Full-Length M Protein in Cutaneous and Invasive Disease Models. mBio, 2016, Vol. 7, e00618-16. doi: 10.1128/mBio.00618-16.

36. Schalk E., Genseke S., Zautner A.E., Kaasch A.J. Detection of Streptococcus pyogenes in an atypical hematological diagnostic case. Infection, 2024. doi: 10.1007/s15010-024-02335-5.

37. Smeesters P.R., de Crombrugghe G., Tsoi S.K., Leclercq C., Baker C., Osowicki J., Verhoeven C., Botteaux A., Steer A.C. Global Streptococcus pyogenes strain diversity, disease associations, and implications for vaccine development: a systematic review. Lancet Microbe, 2024, Vol. 5, no. 2, pp. e181-e193.

38. Spaulding A.R., Salgado-Pabón W., Kohler P.L., Horswill A.R., Leung D.Y., Schlievert P.M. Staphylococcal and streptococcal superantigen exotoxins. Clin. Microbiol. Rev., 2013, Vol. 26, no. 3, pp. 422-447.

39. Stafslien D.K., Cleary P.P. Characterization of the Streptococcal C5a Peptidase Using a C5a-Green Fluorescent Protein Fusion Protein Substrate. J. Bacteriol., 2000, Vol. 182, no. 11, pp. 3254-3258.

40. Thomas S., Abraham A. Progress in the Development of Structure-Based Vaccines. Methods Mol. Biol., 2022, Vol. 2412, pp. 15-33.

41. Troese M.J., Burlet E., Cunningham M.W., Alvarez K., Bentley R., Thomas N., Carwell S., Morefield G.L. Group A Streptococcus Vaccine Targeting the Erythrogenic Toxins SpeA and SpeB Is Safe and Immunogenic in Rabbits and Does Not Induce Antibodies Associated with Autoimmunity. Vaccines, 2023, Vol. 11, no. 9, 1504. doi: 10.3390/vaccines1109150.

42. Ulrich R.G. Vaccine based on a ubiquitous cysteinyl protease and streptococcal pyrogenic exotoxin A protects against Streptococcus pyogenes sepsis and toxic shock. J. Immune Based Ther. Vaccines, 2008, Vol. 6, 8. doi: 10.1186/1476-8518-6-8.

43. Walkinshaw D.R., Wright M.E.E., Mullin A.E., Excler J.L., Kim J.H., Steer A.C. The Streptococcus pyogenes vaccine landscape. NPJ Vaccines, 2023, Vol. 8, no. 1, 16. doi: 10.1038/s41541-023-00609-x.

44. Wang J., Ma C., Li M., Gao X., Wu H., Dong W., Wei L. Streptococcus pyogenes: Pathogenesis and the Current Status of Vaccines. Vaccines, 2023, Vol. 11, no. 9, 1510. doi: 10.3390/vaccines11091510.

45. World Health Organization. The current evidence for the burden of group a streptococcal diseases. Geneva, Switzerland, 2005, pp. 1-52.

46. Zachariadou L., Papaparaskevas J., Paraskakis I., Efstratiou A., Pangalis A., Legakis N.J., Tassios P.T. Predominance of two M-types among erythromycin-resistant Group A Streptococci from Greek children. Clin. Microbiol. Infect., 2003, Vol. 9, pp. 310-314.

47. Zeppa J.J., Kasper K.J., Mohorovic I., Mazzuca D.M., Haeryfar S.M.M., McCormick J.K. Nasopharyngeal infection by Streptococcus pyogenes requires superantigen-responsive Vβ-specific T cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, Vol. 114, no. 38, pp. 10226-10231.