Characterization of the immune response driven by novel nanoparticle-based vaccines for tuberculosis

Abstract

Lung diseases are a common and diverse group of illnesses that represent a health problem affecting millions of people worldwide. The microenvironment and the immune system in the lung are very important but they are also the most challenging immunological dilemma for the host. On one hand, lung location and function are constantly exposed to pathogens; but on the other hand should be sterile and preserve lung homeostasis through the balance between tolerance and inflammation. For this reason is extremely important to characterize and understand the mechanisms and populations involved in a protective immune response, and find better targets to design vaccines.

The aim of this project is to define and understand the immunological profiles that correlate with greater protection generated by preventive and therapeutic vaccines in the lung. Preventive vaccines are generally administered to healthy individuals to prevent or ameliorate infectious diseases, but therapeutic cancer vaccines are administrated once the individual has already developed the disease to strength patient's own immune responses. We will focus on two different lung diseases: an infection caused by a bacteria and lung cancer. To study a bacterial infection, we will use as a model Mycobacterium tuberculosis (Mtb), responsible for Tuberculosis (TB). TB is a serious global health problem and the only licensed vaccine against TB is "Mycobacterium bovis Bacille Calmette-Guérin" (BCG). But BCG has a poor efficacy. To achieve a better understanding of the type of immune responses that confer protection, we will use a mouse model to assess the changes in the immune system produced in the lung by vaccines and in response to Mtb infection. Lung cancer is a devastating disease and a major therapeutic burden with poor survival rates. Cancer cells have been in the focus of the research, but the importance of the immune system is becoming more important. Syngenic murine models entailing the injection of immunological compatible cancer cells in immunocompetent mice will allow us to study of the modulation of the immune system performed by cancer cells. Moreover, we will use therapeutic vaccines against tumor cells to activate anti-tumor T cells to recognize and destroy the tumor, increasing the effectiveness when used alone or in combination with conventional therapies.

In both approaches, the immune cell populations present in the bronchoalverolar lavage (BAL) and in the lung parenchyma, and the ones induced by the different experimental conditions, will be analyzed and characterized by flow cytometry and ELISA. Also, cells will be obtained to perform proteomic and gene expression profiles to better define the pathways with impact in controlling infection or cancer cells.

The outputs generated by our research would lead in the future to a more rational design of protective prophylactic and therapeutic vaccines against lung diseases.

Las enfermedades pulmonares son un grupo diverso de enfermedades que afectan a millones de personas en todo el mundo. El microambiente y el sistema inmunitario en el pulmón son muy importantes a la vez que suponen un dilema para el huésped. Por un lado, por su ubicación y función, el pulmón está constantemente expuesto a patógenos; por otro lado debe ser estéril y preservar la homeostasis a través del equilibrio entre tolerancia e inflamación. Por ello es extremadamente importante caracterizar y comprender los mecanismos y las poblaciones involucradas en una respuesta inmunitaria protectora, y encontrar mejores dianas para diseñar vacunas.

El objetivo de este proyecto es definir y comprender los perfiles inmunitarios que correlacionan con una mayor protección generada por vacunas preventivas y terapéuticas en pulmón. Las vacunas preventivas se administran a individuos sanos para prevenir o mejorar enfermedades infecciosas, mientras que las vacunas terapéuticas contra el cáncer se administran, para fortalecer la propia respuesta inmunitaria del paciente. Nos centraremos en dos enfermedades pulmonares: una infección causada por una bacteria y cáncer de pulmón.

Para estudiar la infección bacteriana, utilizaremos como modelo Mycobacterium tuberculosis (Mtb), responsable de la tuberculosis. La tuberculosis es un grave problema de salud mundial. La única vacuna autorizada contra ella es "Mycobacterium bovis Bacille Calmette-Guérin" (BCG), que tiene una baja eficacia. Para comprender mejor el tipo de respuestas inmunológicas que confieren protección, utilizaremos un modelo de ratón para evaluar los cambios en el sistema inmunitario producidos por diferentes vacunas y la infección de Mtb en el pulmón.

El cáncer de pulmón es una enfermedad devastadora, con una carga terapéutica importante y baja tasa de supervivencia. La investigación se ha centrado en las células tumorales, pero el sistema inmunitario se está volviendo cada vez más importante. Los modelos murinos sinogénicos permiten la inyección de células cancerosas inmunológicamente compatibles en ratones inmunocompetentes para estudiar la modulación del sistema inmunitario por las células tumorales. Además, utilizaremos vacunas terapéuticas para activar las células T a fin de que reconozcan y destruyan el tumor, aumentando su eficacia solas o en combinación con terapias convencionales.

En ambos casos, las poblaciones celulares inmunitarias presentes en el lavado broncoalverolar y el parénquima pulmonar en las diferentes condiciones experimentales serán analizadas y caracterizadas por citometría de flujo y ELISA. Se obtendrán además células para estudios proteómicos y de expresión génica, para definir mejor las vías implicadas en el control de la infección o de las células cancerosas.

Los resultados obtenidos podrían conducir en el futuro a un diseño más racional de vacunas profilácticas y terapéuticas contra enfermedades pulmonares.

As enfermidades pulmonares son un grupo diverso de enfermidades que afectan a millóns de persoas en todo o mundo. O microambiente e o sistema inmunitario nos pulmóns son moi importantes ao mesmo tempo que representan un dilema para o hospedeiro. Por unha banda, debido á súa localización e función, o pulmón está constantemente exposto a patóxenos; por outra banda, debe ser estéril e preservar a homeostase a través do equilibrio entre tolerancia e inflamación. Por iso, é moi importante caracterizar e comprender os mecanismos e poboacións implicados nunha resposta inmune protectora e atopar mellores obxectivos para o deseño de vacinas.

O obxectivo deste proxecto é definir e comprender os perfís inmunolóxicos que se correlacionan con maior protección xerada por vacinas preventivas e terapéuticas no pulmón. As vacinas preventivas son xeralmente administradas a individuos sans para previr ou mellorar doenzas infecciosas, mentres que as vacinas terapéuticas contra o cancro son administradas unha vez o individuo desenvolve a enfermidade para fortalecer a súa resposta inmunitaria. Centrarémonos en dúas enfermidades pulmonares: unha infección bacteriana e cancro de pulmón.

Para estudar unha infección bacteriana, usaremos como modelo Mycobacterium tuberculosis (MTB), responsable da tuberculose (TB), un grave problema de saúde global. A única vacina con licenza actualmente é "Mycobacterium bovis Bacille Calmette-Guérin" (BCG), que ten unha baixa eficacia. Para entender mellor o tipo de respostas inmunolóxicas que confiran protección, usaremos un modelo de rato para avaliar cambios no sistema inmunitario causadas por vacinas e infección por MTB no pulmón.

O cancro de pulmón é unha enfermidade devastadora, cunha importante carga terapéutica e baixa taxa de supervivencia. As células tumorais foron o foco da investigación, pero o sistema inmunolóxico é cada vez máis importante. Os modelos murinos sinxénicos, que inclúen a inxección de células de cancro imunolóxicamente compatibles en ratos inmunocompetentes, permítennos estudar a modulación do sistema inmunitario por células tumorais. Ademáis, utilizaremos vacinas terapéuticas para activar as células T que recoñezan e destrúan o tumor, aumentando a súa eficacia cando se usa só ou en combinación con terapias convencionais.

En ambos casos, as poboacións de células inmunitarias presentes no lavado broncoalverolar e o parénquima pulmonar nas diferentes condicións experimentais analizaranse e caracterízanse por citometría de fluxo e ELISA. As células tamén se obterán para estudos proteómicos e de expresión xénica, para definir mellor as vías implicadas no control da infección ou as células cancerosas.

Os resultados obtidos poderían levar no futuro a un deseño máis racional de vacinas profilácticas e terapéuticas contra as enfermidades pulmonares.