Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI173410.15789/2220-7619-ICO-1734ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleIdentifying correlates of protection from Yersinia pestis on a mouse model and assessing an opportunity for their use as markers of human vaccination efficiencyВыявление коррелятов протекции от Yersinia pestis на мышиной модели и оценка возможности применения их в качестве маркеров эффективности вакцинации у людейKlyuevaSvetlana N.КлюеваСветлана Николаевна
Russian Federation

PhD (Biology), Researcher, Department of Immunology

к.б.н., научный сотрудник отдела иммунологии

klyueva.cvetlana@mail.ruBugorkovaS. A.БугорковаС. А.
Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Head of the Department of Immunology

д.м.н., зав. отделом иммунологии

klyueva.cvetlana@mail.ruKashtanovaT.КаштановаТ. Н.
Russian Federation

Junior Researcher, Department of Immunology

младший научный сотрудник отдела иммунологии

rusrapi@microbe.ruRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”ФКУЗ Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»12042022130520221222532622005202108112021Copyright ©; 2022, Klyueva S.N., Bugorkova S.A., Kashtanova T.Copyright ©; 2022, Клюева С.Н., Бугоркова С.А., Каштанова Т.Н.2022Klyueva S.N., Bugorkova S.A., Kashtanova T.Клюева С.Н., Бугоркова С.А., Каштанова Т.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1734

In case no assessment of changes in incidence rate can be used as an indicator for effectiveness of applied live plague vaccine, it is really necessary to search for other, particularly immunological correlates for vaccine-based protection. The aim of this study was to reveal immunological correlates for plague protection in mice immunized with Yersinia pestis EV NIIEG, and assess dynamics changes in select markers of plague vaccinated subjects. BALB/c mice were immunized with Y. pestis EV at dose of 2 × 102, 1 × 103, 5 × 103, 2.5 × 104 CFU, and on day 21 they were challenged with Y. pestis 231 at a dose of 400 LD50. Immunogenicity was calculated by the Kerber method and ImD50 was determined. Volunteers — 20 subjects who were first vaccinated with live plague vaccine and 20 subjects who were not vaccinated against the plague. Blood cytokine production was measured on the LAZURIT analyzer (Dynex Technologies, USA) in mouse groups before Y. pestis 231 infection on day 14 as well as 21 days after vaccination, in humans — before vaccination, 1, 6 and 12 months after vaccination. The immunized mice showed a significant increase (by 2.2 times) in the induced production of IFNγ and a moderate increase in the concentration of TNFα, IL-10 and IL-17A on day 14 of disease. A high correlation was found between the survival rate of animals and the level of antigen-/mitogen-induced IFNγ production (r = 0.94, p = 0.039), both on day 14 and 21, as well as a noticeable relationship with the level of produced IL-10 and IL-17A on day 14. One month after vaccination volunteers had significantly increase by month 6 (p < 0.05) levels of IFNγ, TNFα, IL-10, IL-17A, although only for IFNγ and IL-17A, the persistence of induced production was noted at a fairly high level for up to a year. Thus, IFNγ and IL-17A can be considered as possible informative correlates of mouse protection against Y. pestis on days 14 and 21, considering the increase in the induced production of these cytokines as adequate markers of the protective efficacy of immunization, and assessing dynamics in these parameters of volunteers vaccinated with the plague live vaccine, the increase in the levels of IFNγ and IL-17A can be considered as a favorable prognostic marker of the immunological efficacy of the vaccine in the period from the month 6 to 12 of observation.

В условиях, когда оценка изменения уровня заболеваемости не может быть использована в качестве индикаторного показателя эффективности живой чумной вакцины, существует реальная необходимость поиска иных, в частности иммунологических, коррелятов защиты вакцинируемого. Цель работы — выявить иммунологические корреляты протекции от чумы у мышей, иммунизированных Yersinia pestis ЕV НИИЭГ, и оценить динамику отобранных маркеров у привитых против чумы людей. Мышей BALB/c иммунизировали Y. pestis EV в дозах 2 × 102, 1 × 103, 5 × 103, 2,5 × 104 КОЕ и на 21 сутки заражали Y. pestis 231 в дозе 400 LD50. Иммуногенность рассчитывали по методу Кербера и определяли ImD50. Добровольцы — 20 человек, впервые привитые вакциной чумной живой, и 20 человек, не прививавшиеся от чумы. Продукцию цитокинов определяли на анализаторе LAZURIT (Dynex Technologies, США) в крови у мышей перед заражением Y. pestis 231 на 14 и 21 сутки после вакцинации, у людей — до введения вакцины, через 1, 6 и 12 месяцев после вакцинации. У иммунизированных мышей отмечено достоверное повышение (в 2,2 раза) индуцированной продукции IFNγ и умеренное увеличение концентрации TNFα, IL-10 и IL-17A на 14 сутки иммуногенеза. Выявлена высокая корреляционная связь между показателем выживаемости животных и уровнем антиген-/митоген-индуцированной продукции IFNγ (r = 0,94, р = 0,039) как на 14, так и на 21 сутки, а также заметная связь с уровнем продукции IL-10 и IL-17A на 14 сутки иммуногенеза. У добровольцев через месяц после прививки отмечено значимое увеличение к 6 месяцу (p < 0,05) уровней IFNγ, TNFα, IL-10, IL-17A, хотя только для IFNγ и IL-17A отмечено сохранение индуцированной продукции на достаточно высоком уровне до года. Таким образом, возможными информативными коррелятами защиты мышей от Y. pestis на 14 и 21 сутки можно считать IFNγ и IL-17A, рассматривая повышение индуцированной продукции этих цитокинов в качестве адекватных маркеров протективной эффективности иммунизации, а оценка динамики этих показателей у добровольцев, привитых вакциной чумной живой, позволяет считать увеличение уровней IFNγ и IL-17A благоприятным прогностическим маркером иммунологической эффективности вакцины в период с 6 по 12 месяц наблюдения.

Yersinia pestislive plague vaccinecytokinesprotectionimmunogenicityanti-plague immunityYersinia pestisвакцина чумная живаяцитокиныпротективностьиммуногенностьпротивочумный иммунитетАшмарин И.П., Воробьев А.А. Статистические методы в микробиологических исследованиях. Ленинград: Медгиз, 1962. [Ashmarin I.P., Vorob’ev A.A Statistical methods in microbiological research. Leningrad: Medgiz, 1962. (In Russ.)]Балахонов С.В., Ярыгина М.Б., Рождественский Е.Н., Базарова Г.Х., Витязева С.А., Остяк А.С., Михайлов Е.П., Мищенко А.И., Денисов А.В., Косилко С.А., Корзун В.М. Случай заболевания человека чумой в Кош-Агачском районе Республики Алтай в 2015 г. Сообщение 2. Микробиологическая и молекулярно-генетическая характеристика изолированных штаммов // Проблемы особо опасных инфекций. 2016. № 4. С. 51–55. [Balakhonov S.V., Yarygina M.B., Rozhdestvensky E.N., Bazarova G.K., Vityazeva S.A., Ostyak A.S., Mikhailov E.P., Mishchenko A.I., Denisov A.V., Kosilko S.A., Korzun V.M. A Case of human plague in Kosh-Agach Region of the Republic of Altai in 2015. Communication 2. Microbiological and molecular-genetic characteristics of the isolated strains. Problemy osobo opasnykh infektsiy = Problems of Particularly Dangerous Infections, 2016, no. 4, pp. 51–55. (In Russ.)] doi: 10.21055/0370-1069-2016-4-51-55Брико Н.И., Лобзин Ю.В., Баранов А.А., Намазова-Баранова Л.С., Ильина С.В., Королёва И.С., Харит С.М., Сидоренко С.В., Таточенко В.К., Маянский Н.А., Куличенко Т.В., Полибин Р.В., Сабитов А.У., Ковтун О.П., Романенко В.В. Оценка эффективности вакцинации: основные подходы и спорные вопросы // Педиатрическая фармакология. 2014. Т. 11, № 4. С. 8–15. [Briko N.I., Lobzin Y.V., Baranov A.A., Namazova-Baranova L.S., Il’ina S.V., Koroleva I.S., Kharit S.M., Sidorenko S.V., Tatochenko V.K., Mayanskii N.A., Kulichenko T.V., Polibin R.V., Sabitov A.U., Kovtun O.P., Romanenko V.V. Assessment of vaccination program effectiveness: basic approaches and issues. Pediatricheskaya farmakologiya = Pediatric Pharmacology, 2014, vol. 11, no. 4, pp. 8–15. (In Russ.)] doi: 10.15690/pf.v11i4.1057Бугоркова С.А., Щуковская Т.Н., Микшис Н.И., Клюева С.Н., Кудрявцева О.М., Кравцов А.Л., Гончарова А.Ю., Кожевников В.А., Санджиев Д.Н., Конушева С.В., Савченко С.П., Бембеева Е.С., Щербакова С.А., Кутырев В.В. Комплексное иммунологическое исследование вакцинированных живой чумной вакциной лиц, проживающих на территории Прикаспийского песчаного очага чумы в Республике Калмыкия // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2018. Т. 17, № 3. С. 38–50. [Bugorkova S.A., Shchukovskaya T.N., Mikishis N.I., Klyueva S.N., Kudryavtseva O.M., Kravtsov A.L., Goncharova A.Y., Kozhevnikov V.A., Sandzhiev D.N., Konusheva S.V., Savchenko S.P., Bembeeva E.S., Shcherbakova S.A., Kutyrev V.V. Comprehensive immunological study of persons vaccinated with live plague vaccine living on the territory of the Pre-Caspian sand foci of the plague in the republic of Kalmykia. Epidemiologiya i vaktsinoprofilaktika = Epidemiology and Vaccinal Prevention, 2018, vol. 17, no. 3, pp. 38–50. (In Russ.)] doi: 10.31631/2073-3046-2018-17-3-38-50Клюева С.Н., Бугоркова С.А., Щуковская Т.Н., Санджиев Д.Н., Конушева С.В., Савченко С.П., Хасыкова Б.А., Щербакова С.А. Оценка уровня гуморального и клеточного иммунитета после ревакцинации против чумы лиц, проживающих на территории Прикаспийского песчаного природного очага // Медицинская иммунология. 2018. Т. 20, № 2. С. 241–250. [Klyueva S.N., Bugorkova S.A., Shchukovskaya T.N., Sandzhiev D.N., Konusheva S.V., Savchenko S.P., Khasykova B.A., Shcherbakova S.A. Assessment of the level of humoral and cellular immunity after revaccination against the plague of persons living on the territory of the Caspian sandy natural focus. Meditsinskaya immunologiya = Medical Immunology (Russia), 2018, vol. 20, no. 2, pp. 241–250. (In Russ.)] doi: 10.15789/1563-0625-2018-2-241-250Клюева С.Н., Шмелькова Т.П., Щуковская Т.Н. Влияние олигодезоксинуклеотида CpG ODN 2006 на продукцию цитокинов клетками крови людей, вакцинированных против чумы // Медицинская иммунология. 2014. Т. 16, № 6. С. 531–538. [Klyueva S.N., Shmelkova T.P., Shchukovskaya T.N. Influence of CpG ODN 2006 oligodeoxynucleotide on cytokine production by blood cells of humans vaccinated against plague. Meditsinskaya immunologiya = Medical Immunology (Russia), 2014, vol. 16, no. 6, pp. 531–538. (In Russ.)] doi: 10.15789/1563-0625-2014-6-531-538Обеспечение эпидемиологического благополучия в природных очагах чумы на территории стран СНГ и Монголии в современных условиях / Под ред. А.Ю. Поповой, В.В. Кутырева. Ижевск: ООО «Издательство “Принт”», 2018. 336 с. [Ensuring epidemiological well-being in natural foci of plague on the territory of the CIS countries and Mongolia in modern conditions. Ed. by A.Yu. Popova, V.V. Kutyrev. Izhevsk: Print Publishing House, 2018. 336 p. (In Russ.)]Самойлова Л.В. Нестерильная фаза иммунитета у животных, привитых вакциной EV // Особо опасные и природно-очаговые инфекции. 1962. С. 134–140. [Samoylova L.V. Non-sterile phase of immunity in animals vaccinated with the EV vaccine. Osobo opasnye i prirodno-ochagovye infektsii = Particularly Dangerous and Focal Infections, 1962, pp. 134–140. (In Russ.)]Фирстова В.В., Калмантаева О.В., Горбатов А.А., Кравченко Т.Б., Тюрин Е.А., Бондаренко Н.Л., Дятлов И.А., Караулов А.В. Оценка специфического гуморального и клеточного иммунитета у людей, периодически вакцинирующихся против чумы // Иммунология, аллергология, инфектология. 2015. № 3. С. 62–68. [Firstova V.V., Kalmantaeva O.V., Gorbatov A.A., Кravchenko T.B., Tiurin E.A., Bondarenko N.L., Dyatlov I.A., Karaulov A.V. Specific humoral and cellular immunity in humans periodically vaccinated against plague. Immunologiya, allergologiya, infektologiya = Immunopathology, Allergology, Infectology, 2015, no. 3, pp. 62–68. (In Russ.)] doi: 10.14427/jipai.2015.3.62Щуковская Т.Н., Смолькова Е.А., Шмелькова Т.П., Клюева С.Н., Бугоркова С.А. Индуцированная продукция IFN-γ и IL-4 как показатель функциональной активности Th1- и Th2-клеток у вакцинированных против чумы людей // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2011. Т. 6, № 61. С. 78–83. [Shchukovskaya T.N., Smolkova E.A., Shmelkova T.P., Klueva S.N., Bugorkova S.A. Induced production of IFN-γ and IL-4 as an indicator of functional activity human Th1 and Th2 cells after plague vaccination. Epidemiologiya i vaktsinoprofilaktika = Epidemiology and Vaccinal Prevention, 2011, vol. 6, no. 61, pp. 78–83. (In Russ.)]Bi Y., Zhou J., Yang H., Wang X., Zhang X., Wang Q., Wu X., Han Y., Song Y., Tan Y., Du Z., Yang H., Zhou D., Cui Y., Zhou L., Yan Y., Zhang P., Guo Z., Wang X., Liu G., Yang R. IL-17A produced by neutrophils protects against pneumonic plague through orchestrating IFN-g-activated macrophage programming. J. Immunol., 2014, vol. 192, рр. 704–713. doi: 10.4049/jimmunol.1301687Chromy B.A., Fodor I.K., Montgomery N.K., Luciw P.A., McCutchen-Maloney S.L. Cluster analysis of host cytokine responses to biodefense pathogens in a whole blood ex vivo exposure model (WEEM). BMC Microbiology, 2012, vol. 12: 79. doi: 10.1186/1471-2180-12-79Cote C.K., Biryukov S.S., Klimko C.P., Shoe J.L., Hunter M., Rosario-Acevedo R., Fetterer D.P., Moody K.L., Meyer J.R., Rill N.O., Dankmeyer J.L., Worsham P.L., Bozue J.A., Welkos S.L. Protection elicited by attenuated live Yersinia pestis vaccine strains against lethal infection with virulent Y. pestis. Vaccines (Basel), 2021, vol. 16, no. 9 (2): 161. doi: 10.3390/vaccines9020161Ehrenkranz N.J., Meyer K.F. Studies on immunization against plague. VIII. Study of three immunizing preparations in protecting primates against pneumonic plague. J. Infect. Dis., 1955, no. 96, рр. 138–144. doi: 10.1093/infdis/96.2.138Hamzabegovic F., Goll J.B., Hooper W.F., Frey S., Gelber C.E., Abate G. Flagellin adjuvanted F1/V subunit plague vaccine induces T cell and functional antibody responses with unique gene signatures. NPJ Vaccines, 2020, vol. 5, no. 1: 6. doi: 10.1038/s41541-020-0156-yKummer L.W., Szaba F.M., Parent M.A., Adamovicz J.J., Hill J., Johnson L.L., Smiley S.T. Antibodies and cytokines independently protect against pneumonic plague. Vaccine, 2008, vol. 26, no. 52, pp. 6901–6907. doi: 10.1016/ j.vaccine.2008.09.063Lin J.S., Kummer L.W., Szaba F.M., Smiley S.T. IL-17 contributes to cell-mediated defense against pulmonary Yersinia pestis infection. J. Immunol., 2011, vol. 186, no. 3, pp. 1675–1684. doi: 10.4049/jimmunol.1003303Lin J.S., Park S., Adamovicz J.J., Hill J., Bliska J.B., Cote C.K., Perlin D.S., Amemiya K., Smiley S.T. Affiliations TNFα and IFNγ contribute to F1/LcrV-targeted immune defense in mouse models of fully virulent pneumonic plague. Vaccine, 2010, vol. 29, no. 2, pp. 357–362. doi: 10.1016/j.vaccine. 2010.08.099Plotkin S.A. Correlates of protection induced by vaccination. Clin. Vaccine Immunol., 2010, vol. 17, no. 7, pp. 1055–1065. doi: 10.1128/CVI.00131-10Sagiyev Z., Berdibekov A., Bolger T., Merekenova A., Ashirova S., Nurgozhin Z., Dalibayev Z. Human response to live plague vaccine EV, Almaty region, Kazakhstan, 2014–2015. PLoS One, 2019, vol. 14, no. 6: e0218366. doi: 10.1371/journal.pone.0218366Tiner B.L., Sha J., Ponnusamy D., Baze W.B., Fitts E.C., Popov V.L., van Lier C.J., Erova T.E., Chopra A.K. Intramuscular immunization of mice with a live-attenuated triple mutant of Yersinia pestis CO92 induces robust humoral and cell-mediated immunity to completely protect animals against pneumonic plague. Clin. Vaccine Immunol., 2015, vol. 22, no. 12, pp. 1255–1268. doi: 10.1128/CVI.00499-15Wang X., Singh A.K., Zhang X., Sun W. Induction of protective antiplague immune responses by self-adjuvanting bionanoparticles derived from engineered Yersinia pestis. Infect Immun., 2020, vol. 88, no. 5: e00081-20. doi: 10.1128/IAI.00081-20WHO. Correlates of vaccine-induced protection: methods and implications. Geneva: WHO, 2013. 65 р.Williamson E.D., Flick-Smith H.C., Waters E., Miller J., Hodgson I., Le Butt C.S., Hill J. Immunogenicity of the rF1+rV vaccine for plague with identification of potential immune correlates. Microb. Pathog., 2007, vol. 42, no. 1, pp. 11–21. doi: 10.1016/ j.micpath.2006.09.003Zauberman A., Cohen S., Levy Y., Lazar S., Velan B., Shafferman A., Flashner Y., Mamroud E. Neutralization of Yersinia pestis-mediated macrophage cytotoxicity by anti-LcrV antibodies and its correlation with protective immunity in a mouse model of bubonic plague. Vaccine, 2008, vol. 26, no. 13, pp. 1616–1625. doi: 10.1016/j.vaccine.2008.01.033Zvi A., Rotem S., Zauberman A., Elia U., Aftalion M., Bar-Haim E., Mamroud E., Cohen O. Novel CTL epitopes identified through a Y. pestis proteome-wide analysis in the search for vaccine candidates against plague. Vaccine, 2017, vol. 35, no. 44, pp. 5995–6006. doi: 10.1016/j.vaccine.2017.05.09