No escape mutants and decreased variability of viral quasispecies after immunization against long alpha helix of pandemic H1N1 in a mouse model study

Abstract

For an increase in pandemic preparedness and to overcome yearly efforts and costs for the production of seasonal influenza vaccines, new approaches for the induction of broadly protective and long-lasting immune responses have been developed during the past decade. It is critical to understand the evolution of influenza viruses in response to Universal Influenza Vaccines. Antibody pressure on conserved domains may increase their variability and lead to the rise of escape mutants. Here we used a mouse challenge model with a vaccine construct targeting the long alpha helix of hemagglutinin stalk to identify alterations in quasispecies composition. The viral ribonucleic acid from lungs of vaccinated and non-vaccinated mice was extracted and analyzed using a next generation sequencing approach. The viral ribonucleic acid in the supernatant of infected Madin Darby Canine kidney cells was used as comparison. The vaccine used elicited significant seroconversion and protection against homologous and heterologous influenza virus strains in mice. The vaccine not only significantly reduced lung viral titers, but also induced a well-known bottleneck effect by decreasing virus diversity. In contrast to the classical bottleneck effect, here we showed a significant increase in the frequency of viruses with amino acid sequences identical to that of vaccine targeting the long alpha helix domain. No emergence of escape mutants in significant quantity was detected after vaccination. These findings support the potential of targeting the conserved long alpha helix domains and add to the hope of having a potent and safe Universal Influenza Vaccine in the near future.

Im Sinne einer besseren Vorbereitung auf die nächste Influenza-Pandemie und um jährliche Anstrengungen und Kosten für die Impfstoffproduktion gegen saisonale Influenza zu reduzieren, werden seit den letzten etwa zehn Jahren neue Ansätze für die Induzierung breiter, schützender und langanhaltender Immunantwort unternommen. Es ist dabei entscheidend die Evolution der Influenzaviren in Reaktion auf solche Universellen Grippeimpfungen zu verstehen. Der Stress durch Antikörper, die weitgehend konservierte Domänen enthalten, könnte zu vermehrter Variabilität und der Entstehung von Fluchtmutanten führen. In einem Mausinfektionsversuch mit einem Impfstoffkonstrukt, das die lange Alpha-Helix des Hämagglutinin-Stiels angreift, wurden die Veränderungen der Quasispezies untersucht. Die virale Ribonukleinsäure wurde aus den Lungen von geimpften und nicht geimpften Mäusen extrahiert und mit einem Next-Generation-Sequenzierungsverfahren analysiert. Die virale Ribonukleinsäure aus dem Überstand von infizierten Nierenzellkulturen wurde als Vergleich herangezogen. Der Impfstoff führte in Mäusen zu signifikanter Serokonversion und Schutz gegen homologe und heterologe Influenzaviren. Die Impfung reduzierte nicht nur den Virustiter in den Lungen sondern induzierte auch den bekannten Flaschenhals-Effekt mit einer signifikanten Abnahme der Virusdiversität. Im Gegensatz zum klassischen Flaschenhals-Effekt konnte hier eine Zunahme des Virusanteils mit der gleichen Aminosäurensequenz wie der verwendete Impfstoff gezeigt werden, der die lange Alpha-Helix angreift. Nach der Impfung konnten keine Fluchtmutanten in signifikanter Menge gefunden werden. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potential, die konservierten Regionen der langen Alpha-Helix ins Visier zu nehmen und machen Hoffnung auf eine sichere und wirkungsvolle Universelle Grippeimpfung in naher Zukunft.