Development of DNA vaccine against Zika virus

Abstract

지카 바이러스는 플라비바이러스속에 속하는 외피보유 양성가닥 RNA 바이러스로 인체 감염 시 발열 및 발진, 가벼운 두통 등을 일으킬 수 있는 바이러스로 알려져 있었다. 하지만 2015-2016년에 발생한 에피데믹을 통하여, 지카 바이러스 감염에 의한 소두증 등의 선천성 기형과 길랑-바레증후군등의 유발가능성이 입증 되었다. 이러한 위험성과 빠른 전파 속도로 인해 2016년 2월, 세계보건기구(WHO)에서는 국제비상사태를 선포하였지만, 현재까지 지카 바이러스에 대해 백신이나 치료제는 상용화되어 있지 않은 실정으로 이에 대한 백신 개발이 시급한 상황이다. 본 논문에서는 보툴리눔 독소 E 타입에 대한 면역유도능이 검증된 항원을 이용하여 DNA 백신을 개발함으로써 DNA 백신의 최적 조건을 설정하고자 하였다. 해당 항원을 발현하는 플라스미드 DNA 벡터를 제작하여 이의 생체내 효능 평가로 플라스미드를 면역한 마우스에서 독소 특이적인 항체 생성을 확인하였고, T세포 면역 유도능과 독소에 대한 방어능을 입증함으로써 이를 기반으로 최적화된 면역 스케줄을 설정하였다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서는 보툴리눔 독소 E 타입 항원에 대한 DNA 백신 기술의 활용 가능성을 입증하였고, 이를 플랫폼 기술로서 활용하여 지카 바이러스에 대한 DNA 백신을 개발하고자 하였다. 동일한 플라스미드 구조를 바탕으로 지카 바이러스의 막 전구체(pre-membrane)와 외피(envelope)를 발현하는 1가(Monovalent), 2가(Bivalent), 혼합(Dual) 플라스미드 DNA 백신을 제작하였다. 이들의 효능 평가를 위한 면역 유도능 연구를 진행한 결과, 면역한 마우스에서 지카 바이러스 특이적인 항체 생성을 확인하였다. 세 벡터 중 1가 벡터의 경우 나머지 두 벡터와 비교하였을 때 면역 마우스에서 지카 바이러스 특이적 항체의 역가가 높게 유도되는 것을 확인하였다. 더 나아가 1가 벡터에 의해 이와 같은 체액성 면역뿐만 아니라 항원 특이적인 세포성 면역 또한 유도됨을 확인하였다. 추가적으로, 플라비바이러스에 대한 방어에 있어 핵심적인 역할을 한다고 알려져 있는 중화 항체 생성을 입증함으로써 1가 벡터의 지카 바이러스에 대한 방어능의 유도 가능성을 확인하였다. 위 결과를 통해 본 논문은 세포성, 체액성 면역을 포함한 적절한 면역반응을 유도하는 지카 바이러스 DNA 백신을 개발하였으며 더 나아가 감염성 질병에 대한 DNA 백신 기술의 활용 가능성을 입증하였다.

Zika virus (ZIKV) is an enveloped (+) strand RNA virus belonging to the Flavivirus genus that has been known to cause fever, rash and mild headache. However, the recent reports have shown that ZIKV infection can cause Guillain-Barre syndrome, congenital malformations such as microcephaly, and other severe neurological disorders. Due to these risks and rapid spread, the World Health Organization (WHO) declared a global health emergency in February 2016. However, there is no approved therapeutics and vaccines so far, so a development of vaccine against ZIKV is urgently needed. In this study, we aimed to develop the DNA vaccine agains ZIKV. We first and set up the optimal conditions of DNA vaccine against Botulinum neurotoxin type E (BoNT/E) for development of DNA vaccine platform. BoNT/HCR (E) DNA vaccine was constructed to encode a heavy chain fragment of the toxin which is validated as an antigen in preliminary study. As improving in vivo efficacy, the production of toxin-specific antibody was confirmed in immunized Balb/c mice, and T-cell immunity inducing ability was also confirmed. In addition, we evaluated the protective ability of the vaccine by toxin challenge, and set up the optimal immunization schedule based on these data. From these results, we suggested the potential of DNA vaccine technology against BoNT/E, furthermore, we aimed to develop ZIKV DNA vaccine on the basis of this technology. Three vaccine candidates were designed for ZIKV DNA vaccine. We designed Monovalent, Bivalent, Dual plasmid DNA vaccine coding pre-membrane and envelope protein of ZIKV based on the same backbone construct with used above. ZIKV-specific antibody production was evaluated in each immunized group. Compared with the other two groups, the titer of ZIKV-specific antibody was significantly higher in the Monovalent vector immunized mice. Furthermore, not only the inducing of humoral immunity but also inducing of cellular immunity by the vaccine was confirmed. In addition, we suggested the possibility of protection against ZIKV by demonstrating that the neutralizing antibody which has known to be critical in protection against Flaviviridae was induced by Monovalent vector. In conclusion, we developed the ZIKV DNA vaccine which induced virus-specific immune response including humoral and cellular immunity. Our study suggests that DNA vaccines could be a possible approach for developing vaccines that protect against infectious diseases.