Vaccins traditionnels et vaccins recombinants

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Vaccins traditionnels et vaccins recombinants

M. Eloit

To cite this version:

M. Eloit. Vaccins traditionnels et vaccins recombinants. Productions animales, Institut National de

la Recherche Agronomique, 1998, 11 (1), pp.5-13. �hal-02694704�

7 avenue du GŽnŽral De Gaulle, 94704 Maisons-Alfort Cedex

traditionnels et vaccins

recombinants

La connaissance des bases molŽculaires de la virulence et du caract•re immunog•ne a permis un progr•s considŽrable dans la mise au point de vaccins. Ainsi, par exemple, on peut sŽparer les fractions

de protŽine (= antig•nes) induisant la rŽponse immunitaire du reste du microorganisme pathog•ne et nÕutiliser que ces fractions

antigŽniques dans la fabrication du vaccin. Cet article prŽsente les diffŽrents types possibles de vaccins et leurs utilisations respectives.

RŽsumŽ

DiffŽrents types de vaccins sont actuellement disponibles ou en cours de dŽvelop- pement. Ils peuvent •tre divisŽs en deux catŽgories : vaccins vivants et vaccins inertes. Les vaccins vivants traditionnels incluent des souches attŽnuŽes par des moyens conventionnels, comme la croissance dans des conditions de culture inha- bituelles (bactŽries), ou dans des cellules ou des animaux vis-ˆ-vis desquels les souches ne sont pas initialement adaptŽes (virus). Les nouvelles gŽnŽrations de vaccins vivants utilisant les techniques de recombinaison gŽnŽtique (vaccins recombinants) peuvent •tre fabriquŽes par mutagŽn•se dirigŽe de g•nes de viru- lence, ou par clonage de g•nes de protŽines immunog•nes dans des vecteurs viraux ou bactŽriens qui poss•dent les propriŽtŽs souhaitŽes dÕinnocuitŽ et dÕeffi- cacitŽ. Les vaccins inactivŽs conventionnels sont fabriquŽs par traitement des microorganismes par des agents physiques ou chimiques. Dans la mesure o• les fractions immunog•nes des microorganismes sont de mieux en mieux connues, elles peuvent •tre utilisŽes pour fabriquer des vaccins ne comprenant que ces fractions immunog•nes majeures (vaccin subunitaires) par purification, ou par expression in vitro de protŽines (un autre type de vaccin recombinant) ou enfin synth•se chimique de peptides. RŽcemment, il a ŽtŽ dŽmontrŽ, chez diffŽrentes esp•ces, que lÕinoculation directe dans le muscle dÕun g•ne codant pour une pro- tŽine immunog•ne (immunisation gŽnŽtique) permettait dÕinduire une rŽponse immune cellulaire et humorale. Cette mŽthode correspond ˆ un dernier type de vaccin recombinant. LÕimmunitŽ systŽmique et muqueuse obtenue apr•s injection de vaccin vivant est comparŽe ˆ celle obtenue apr•s injection de vaccin inerte.

Le principe de la vaccination consiste ˆ administrer ˆ un •tre vivant un principe actif capable dÕinduire une immunitŽ spŽcifique vis-ˆ-vis dÕun agent pathog•ne, ainsi quÕune mŽmoire immunitaire susceptible dÕamplifier plus rapidement la rŽponse immune quÕapr•s primo-infection.

Les performances et donc en consŽquence les objectifs de la vaccination des animaux sont variables en fonction de la nature des maladies visŽes. Ainsi, la vaccination est de loin la mŽthode de lutte la plus efficace contre des maladies infectieuses aigu‘s qui bŽnŽficient dÕune rŽponse immune post-infec- tieuse stŽrilisante. En effet, il est une r•gle

gŽnŽrale, rarement dŽmentie par les faits expŽrimentaux, qui consid•re que lÕimmunitŽ induite par la vaccination ne peut •tre supŽ- rieure ˆ celle dÕun animal guŽri apr•s infec- tion naturelle. Toutefois, de rares animaux peuvent dŽvelopper un portage chronique gŽnŽralement de courte durŽe (exemple : fi•vre aphteuse). Dans ces cas, la vaccination peut permettre une baisse de lÕincidence et de la prŽvalence de lÕinfection (et donc de la maladie). Au contraire, la vaccination est habituellement moins efficace contre les agents pathog•nes capables de dŽvelopper des infections persistantes chez lÕh™te, du fait quÕils poss•dent des mŽcanismes dÕŽchappe- ment ˆ la rŽponse immune (herpesvirus, len- tivirus, pestivirus, brucelles...). Pour ces infections, il est gŽnŽralement possible dÕob- tenir au travers de la vaccination une dŽfense contre les sympt™mes de la maladie (baisse de la prŽvalence des cas cliniques) alors que lÕefficacitŽ sur la circulation de lÕagent patho- g•ne (incidence de lÕinfection) est habituelle- ment plus limitŽe.

Les modalitŽs dÕobtention des vaccins ont

connu une Žvolution importante au cours des

dix derni•res annŽes. Ces modifications

dŽcoulent directement des amŽliorations des

connaissances sur la structure et la fonction

des constituants des microorganismes et sur

lÕanalyse fine de la rŽponse immune anti-

infectieuse. Ces connaissances ont pu •tre

obtenues par lÕutilisation des techniques de la

biologie molŽculaire dans les laboratoires et

par lÕextrordinaire pouvoir analytique de ces

mŽthodes. CÕest sans doute dans le dŽveloppe-

ment de vaccins viraux que ces mŽthodes ont

pour lÕinstant connu les plus grands dŽvelop-

pements, raison pour laquelle les infections

virales reprŽsenteront une part importante

des exemples que nous choisirons.

1 / Vaccins recombinants et vaccins conventionnels

DiffŽrentes catŽgories de vaccins sont dispo- nibles. La classification prŽsentŽe ici est clas- sique (vaccins vivants et inertes, ainsi que leurs sous-catŽgories respectives). Elle a le mŽrite, comme toute classification opŽration- nelle, de regrouper des vaccins de propriŽtŽs communes. NŽanmoins, sÕappuyant sur le pro- duit final plut™t que sur la logique de sa conception, elle risque de ne pas renseigner le lecteur sur les lignes de force contemporaines en mati•re de vaccinologie et, surtout, de ne pas permettre de mettre les travaux actuels en perspective. CÕest pourquoi nous prŽsente- rons en introduction les diffŽrentes stratŽgies dÕobtention dÕun vaccin.

1 .1 / LÕapport

des biotechnologies

ˆ la dŽfinition des vaccins

Depuis les travaux de Jenner et de Pasteur, le principe de la vaccination que nous avons rappelŽ est toujours restŽ le m•me. Les moda- litŽs initiales dÕobtention des vaccins sont longtemps restŽes comparables dans leur principe : administrer ˆ lÕindividu un agent pathog•ne entier, soit tuŽ (vaccin inactivŽ), soit attŽnuŽ par diffŽrentes techniques dont le rŽsultat Žtait difficilement prŽvisible. Les avancŽes actuelles reposent sur plusieurs causes communes dont nous retiendrons celles qui nous paraissent majeures :

- des progr•s techniques : la dŽcouverte des techniques dÕidentification et de clonage de g•nes ainsi que celle des anticorps monoclo- naux, spŽcifiques non plus dÕun agent patho- g•ne mais dÕune portion dÕune seule protŽine dÕun microorganisme ;

- des progr•s scientifiques, qui dŽcoulent en large partie de ces progr•s techniques : la connaissance des mŽcanismes de multiplica- tion des agents pathog•nes et du dŽtermi- nisme de leur virulence, lÕŽtude des antig•nes importants dans la rŽponse immune et, enfin, de mani•re paradoxalement plus limitŽe compte tenu des immenses progr•s quÕa connus cette discipline en une vingtaine dÕan- nŽes, la progression dans les connaissances en immunologie.

En consŽquence, deux voies principales sont actuellement utilisŽes, en complŽment plut™t quÕen remplacement des approches tradition- nelles :

- la premi•re consiste en une dŽlŽtion de certains g•nes impliquŽs dans la virulence des micro-organismes de mani•re ˆ isoler des souches vivantes attŽnuŽes de mani•re rai- sonnŽe. Cette voie est peu utilisŽe ;

- la seconde, plus frŽquemment utilisŽe, ne retient de lÕagent pathog•ne quÕune fraction (ou quelques rares fractions) immunog•ne(s) de celui-ci, prŽalablement identifiŽe(s) comme majeure(s).

Habituellement, les immunog•nes viraux majeurs correspondent ˆ des (glyco)protŽines

de structure, de capside (composant interne des virus) ou dÕenveloppe, mais certaines pro- tŽines non structurales, exprimŽes prŽcoce- ment au cours du cycle, pourraient Žgalement

•tre des immunog•nes potentiels (Selvaka- mur et al 1995). Les immunog•nes bactŽriens sont multiples : peptidoglycanes de la paroi des bactŽries Gram+ et polysaccharides de la paroi des bactŽries Gram-, polysaccharides de la capsule (antig•ne K), protŽines de pili et de flagelles (antig•nes H), exotoxines bactŽ- riennes. A partir de cette approche, diffŽrents types de vaccin se dŽclinent en fonction du mode de prŽsentation de ces immunog•nes au syst•me immunitaire : 1) vaccins inertes quand ces antig•nes sont purifiŽs, produits in vitro par des techniques de gŽnie gŽnŽtique, ou que des sous-fractions dÕentre eux sont chi- miquement synthŽtisŽes ; 2) vaccins vivants quand le g•ne de protŽines immunogŽniques est introduit dans dÕautres microorganismes capables de se rŽpliquer (vecteurs) qui seront administrŽs ˆ lÕanimal ; 3) vaccins de nature intermŽdiaire quand ce sont les g•nes de ces protŽines immunog•nes qui sont dŽlivrŽs ˆ lÕanimal, soit par lÕintermŽdiaire de vecteurs viraux incapables de se multiplier, soit sous forme dÕADN nu : ces vaccins sont inertes au sens o• ils ne se multiplient pas chez lÕh™te mais prŽsentent lÕantig•ne au syst•me immu- nitaire de mani•re proche de celle des vaccins vivants.

1 ^.2 / Des vaccins traditionnels aux vaccins recombinants

Nous retiendrons donc une classification des diffŽrents types de vaccin en vaccins vivants (utilisant une souche capable de se multiplier au moins in vitro) et en vaccins inertes (incapables de se rŽpliquer) (cf. revue gŽnŽrale de McGhee et Kiyono 1993). Les vac- cins recombinants sont obtenus par des tech- niques de clonage molŽculaire du gŽnome des microorganismes, de mani•re ˆ obtenir un principe actif ayant une efficacitŽ vaccinale.

Comme nous le verrons, ils peuvent apparte- nir ˆ plusieurs des catŽgories suivantes.

a / Vaccins vivants

Les vaccins vivants peuvent •tre classŽs en vaccins attŽnuŽs, cÕest-ˆ-dire incluant une souche de lÕagent pathog•ne ou dÕun agent infectieux proche possŽdant un pouvoir patho- g•ne faible ou nul pour lÕesp•ce de destina- tion, et en vaccins vectorisŽs, cÕest-ˆ-dire incluant un agent infectieux non pathog•ne (vecteur) dont le gŽnome a ŽtŽ modifiŽ afin dÕinclure un ou plusieurs g•nes codant pour des protŽines immunog•nes de lÕagent patho- g•ne cible.

Les souches attŽnuŽes

Les souches attŽnuŽes utilisŽes pour fabri- quer des vaccins vivants peuvent provenir de plusieurs origines.

- SpontanŽment avirulentes (figure 1, A) Certaines souches isolŽes du terrain sont spontanŽment avirulentes, en particulier pour

INRA Productions Animales, janvier 1998

6 / M. ELOIT

Certains vaccins

vivants sont

constituŽs de

pathog•nes que

lÕon a attŽnuŽs en

supprimant leurs

g•nes de virulence.

une autre esp•ce cible. Historiquement, d•s 1798, Jenner a pu vacciner lÕhomme contre la variole en utilisant le virus du cowpox des bovins. De la m•me fa•on, lÕherpesvirus du dindon permet de vacciner les volailles contre la maladie de Marek ; le poxvirus du fibrome de Shope est utilisŽ pour vacciner le lapin contre la myxomatose.

- Par des moyens conventionnels (figure 1, A) Le principe de sŽlection de souches virales attŽnuŽes est dÕisoler parmi une population virale initiale un clone de virulence attŽnuŽe.

Au besoin, une procŽdure de mutagŽn•se ˆ lÕaide de diffŽrents agents mutag•nes est par- fois rŽalisŽe sur la population initiale afin dÕaugmenter le nombre de variants prŽsents et de faciliter la sŽlection dÕun variant appro- priŽ. La sŽlection de variants non pathog•nes est rŽalisŽe par diffŽrentes techniques : pas- sage multiples en culture cellulaire, passages sur esp•ce animale diffŽrente de lÕesp•ce cible, multiplication ˆ tempŽrature infŽrieure ˆ 37

o

C permettant dÕobtenir des souches dites thermosensibles, incapables de se multiplier ˆ une tempŽrature corporelle normale... Il est important de comprendre que ces procŽdures sont aveugles et que, dans lÕhypoth•se o• une souche vaccinale potentielle est obtenue, la

raison de son attŽnuation est habituellement inconnue. Il est nŽanmoins parfois possible dÕobtenir des mutants prŽalablement choisis (figure 1, B) : ainsi la multiplication de souches virales en prŽsence dÕun anticorps monoclonal contre une protŽine peut per- mettre dÕobtenir un mutant de dŽlŽtion spŽci- fique ; la croissance en milieu sŽlectif conduit ˆ lÕobtention de mutants dŽfectifs pour le g•ne de la thymidine kinase, de virulence attŽnuŽe (herpesvirus, poxvirus). Dans la mesure o• les modifications gŽnomiques ˆ lÕorigine de lÕattŽ- nuation sont le plus souvent inconnues, il est impossible de prŽvoir la stabilitŽ de lÕattŽnua- tion et les risques de recombinaison avec les souches sauvages. En effet, la modification dÕune seule base ou la dŽlŽtion dÕun g•ne entier peuvent se traduire exactement par le m•me phŽnotype, alors que la stabilitŽ de ces modifications est ˆ lÕŽvidence tr•s diffŽrente.

Bien Žvidemment, diffŽrents essais sont conduits par les fabricants, en conformitŽ avec les normes actuelles dÕenregistrement, pour vŽrifier la stabilitŽ de lÕattŽnuation : nŽanmoins, ces essais ne peuvent •tre conduits quÕˆ une Žchelle limitŽe et ne per- mettent pas dÕŽviter tout risque. Seule lÕutili- sation ˆ large Žchelle dÕune souche vivante Figure 1. Classification des vaccins conventionnels et recombinants. Les différents types de vaccins recombinants sont en rouge.

Epitope immunogène (= fragment de la protéine)

Gène de la protéine immunogène

Gène de virulence Protéine immunogène

Souche pathogène Vaccins vivants

Vaccin atténué obtenu de manière

"aveugle"

Sélection de mutants n’exprimant pas un gène de virulence

Délétion sélective du gène de virulence par des techniques de recombinaison génétique A - Vaccin atténué conventionnel

B - Vaccin atténué par sélection contre le produit d'un gène

C - Vaccin atténué par mutagenèse dirigée

D - Vaccin vectorisé réplicatif

Insertion du gène d’une protéine immunogène dans un microorganisme capable de se multiplier

Vaccins inertes

Vaccins intermédiaires

F - Vaccin inactivé

E - Vaccin vectorisé non réplicatif

Insertion du gène d’une protéine immunogène dans un microorganisme incapable de se multiplier

I - Vaccin génétique Le gène de la protéine immunogène est directement administré à l'animal

Plasmide

Microorganisme inactivé par des procédés physiques ou chimiques

G - Vaccin sub-unitaire

H - Vaccin peptidique Fractionnement du microorganisme avec conservation des fractions immunogènes ou production in vitro d’une protéine immunogène par des procédés biotechnologiques

Vaccin obtenu par

synthèse chimique

d’un épitope

sélectionné d’une

protéine immunogène

sur le terrain permet a posteriori de confirmer son innocuitŽ.

Enfin, on doit ajouter que cette procŽdure ne permet pas toujours dÕobtenir des souches attŽnuŽes. Ainsi, aucune souche vaccinale de virus de la fi•vre aphteuse satisfaisant aux crit•res dÕefficacitŽ et dÕinnocuitŽ nÕa pu •tre isolŽe.

Les souches bactŽriennes attŽnuŽes, plus rares, sont obtenues par croissance dans des milieux appauvris ou dans des conditions telles quÕelles perdent certaines de leur caractŽris- tiques (BCG, B. anthracis, P. multocida...).

MalgrŽ ces inconvŽnients, cette mŽthodolo- gie conventionnelle a prouvŽ son efficacitŽ et la quasi-totalitŽ des souches vivantes actuel- lement utilisŽes en dŽrivent.

- Par dŽlŽtion de g•nes (figure 1, C)

Il sÕagit lˆ dÕun premier type de vaccin recombinant. LÕŽtude de lÕinteraction des microorganismes avec leur h™te permet dÕiden- tifier les protŽines et les g•nes correspondants qui jouent un r™le important dans la virulence dÕun agent pathog•ne. Souvent le dŽtermi- nisme de cette virulence est multigŽnique. La dŽlŽtion de ces g•nes de virulence permet de rŽaliser de mani•re raisonnŽe lÕattŽnuation de souches vaccinales. Par exemple, au moins quatre g•nes sont impliquŽs dans la neurovi- rulence de lÕherpesvirus de la maladie dÕAu- jeszky, et la dŽlŽtion ou la modification de cer- tains dÕentre eux (thymidine kinase, gE, gC, gI) permet dÕabolir la virulence des souches pour le porc. LÕherpesvirus de la rhinotra- chŽite infectieuse bovine (IBR), tr•s proche de ce dernier, a bŽnŽficiŽ du m•me type de travail pour isoler des souches attŽnuŽes.

Par ailleurs la vaccination ˆ lÕaide de souches attŽnuŽes par dŽlŽtion de g•nes per- met de diffŽrencier les animaux infectŽs des animaux vaccinŽs. La mise en Žvidence dÕanti- corps contre la protŽine absente de la souche vaccinale indique alors quÕil y a eu infection.

CÕest le cas de la protŽine gE (initialement appelŽe gI) des deux herpesvirus de la mala- die dÕAujeszky (Van Oirschot et al 1990) et de la rhinotrachŽite infectieuse bovine. NŽan- moins, paradoxalement, ce sont surtout des souches sŽlectionnŽes sur ce crit•re et dont le g•ne est naturellement dŽlŽtŽ qui sont actuel- lement utilisŽes.

Ces procŽdures de dŽlŽtion de g•nes nÕont de limites thŽoriques que celles rŽsultant de la connaissance des agents pathog•nes et pour- raient permettre de voir Žmerger de nouveaux concepts. Ainsi, la protŽine gD du virus de la maladie dÕAujeszky est nŽcessaire ˆ lÕinfection de cellules par le virus ˆ partir du milieu extracellulaire, mais facultative pour le pas- sage du virus de cellule ˆ cellule. Un virus dont le gŽnome ne contient plus le g•ne gD, mais dont lÕenveloppe contient la glycoprotŽine gD en raison de sa multiplication sur une lignŽe cellulaire exprimant gD, est capable de se rŽpliquer chez lÕh™te (par passage direct de cellule ˆ cellule) mais est incapable apr•s excrŽtion dÕinfecter un nouvel h™te. En effet les virions de seconde gŽnŽration nÕexpriment

pas gD. Il sÕagit lˆ de la premi•re dŽmonstra- tion de souches virales vivantes, capables de se multiplier chez lÕh™te, mais non diffusibles par construction (Peeters et al 1994).

Les vaccins vectorisŽs

Les techniques de la biologie molŽculaire nÕont pas seulement permis dÕidentifier cer- tains g•nes de virulence. Elles ont aussi conduit ˆ identifier les protŽines majeures contre lesquelles la rŽponse immune de lÕh™te est dirigŽe. En effet, si la plupart des pro- tŽines dÕun agent pathog•ne peuvent •tre reconnues par le syst•me immunitaire, la rŽponse immune contre un petit nombre dÕentre elles (voire une seule) peut permettre une protection compl•te. Le g•ne de cette ou de ces protŽines, voire une sŽquence gŽnique codant pour une petite fraction de cette pro- tŽine, peut alors •tre transfŽrŽ dans un autre microorganisme (virus ou bactŽrie), appelŽ vecteur, possŽdant des caractŽristiques adŽ- quates de sŽcuritŽ et dÕefficacitŽ par la voie dÕadministration retenue. Ce microorganisme va, apr•s administration ˆ lÕh™te, induire une rŽponse immune contre cette protŽine Žtran- g•re. Cette approche correspond ˆ un deuxi•me type de vaccin recombinant.

- Vecteurs rŽplicatifs (figure 1, D)

LÕapproche initiale de cette stratŽgie a ŽtŽ de produire des vecteurs capables de se rŽpli- quer chez lÕh™te en dŽpit de lÕinsertion du g•ne Žtranger dans leur gŽnome. Ainsi le virus de la vaccine ou ses dŽrivŽs, ceux-lˆ m•mes qui avaient permis la vaccination de lÕhomme contre la variole, ont ŽtŽ utilisŽs avec succ•s. DÕautre virus (adŽnovirus, herpesvi- rus) ou bactŽries (colibacilles, salmonelles, bacille du BCG) ont Žgalement fait lÕobjet dÕŽtudes. Dans certains cas, il a ŽtŽ possible dÕobtenir une protection par insertion dÕune sŽquence codant uniquement pour quelques acides aminŽs dÕune protŽine immunog•ne (Castrucci et al 1994). La rŽussite probable- ment la plus dŽmonstrative de cette approche a ŽtŽ la construction dÕun virus de la vaccine porteur du g•ne de la glycoprotŽine G du virus rabique, capable de vacciner le renard contre la rage par voie orale (Brochier et al 1991). Ce vaccin est le premier et pour lÕins- tant le seul vaccin utilisant un vecteur viral ˆ avoir re•u une autorisation de mise sur le marchŽ de la part des autoritŽs europŽennes.

Un autre exemple montre que les catŽgories que nous avons dŽfinies ne sont pas figŽes.

Ainsi nos coll•gues hollandais ont dŽveloppŽ un vecteur viral basŽ sur le virus de la mala- die dÕAujeszky, dans lequel ils ont insŽrŽ un g•ne dÕune protŽine immunog•ne du virus de la Peste Porcine Classique. Ce virus recombi- nant permet la vaccination simultanŽe contre la maladie dÕAujeszky et contre la Peste Por- cine Classique. Il sÕagit donc dÕune souche de conception mixte, attŽnuŽe pour le virus de la maladie dÕAujeszky et vectorisŽe pour celui de la Peste Porcine Classique (van Zijl et al 1991).

- Vecteurs non rŽplicatifs (figure 1, E) La construction de virus rŽplicatifs, pour sŽduisante quÕelle soit en terme dÕefficacitŽ,

INRA Productions Animales, janvier 1998

8 / M. ELOIT

Un vaccin vectorisŽ est constituŽ dÕun support, par exemple un microorganisme non pathog•ne, dans lequel on a intŽgrŽ le g•ne

de la protŽine

immunog•ne.

peut poser des probl•mes de biosŽcuritŽ. En effet, il nÕest pas souhaitable que des virus recombinants puissent diffuser dÕanimal ˆ animal. Il a donc ŽtŽ imaginŽ dÕutiliser des virus qui, naturellement ou par dŽlŽtion de g•nes essentiels, soient incapables de se mul- tiplier chez lÕanimal. Ainsi le virus du canary- pox est un virus aviaire incapable de se multi- plier chez les mammif•res. LÕadŽnovirus type 5 dont on enl•ve certains g•nes essentiels (E1) est capable de se multiplier dans des cel- lules manipulŽes de mani•re ˆ ce quÕelles expriment le g•ne E1, mais est incapable de se multiplier dans des cellules normales ou chez lÕanimal. LorsquÕun g•ne est insŽrŽ dans le gŽnome de ces virus, ce g•ne est introduit dans les cellules apr•s infection et la protŽine est fabriquŽe. Pourtant, le virus est incapable dÕeffectuer certains des stades postŽrieurs au stade de pŽnŽtration intracellulaire et ne se rŽplique donc pas. Les virus sont alors utilisŽs comme des seringues molŽculaires (Eloit et Adam 1995). Cette stratŽgie est tout ˆ fait comparable aux essais actuels de thŽrapie gŽnique, dans lesquels un g•ne est introduit in vivo dans des cellules cibles par lÕintermŽ- diaire de vecteurs viraux. Ce sont dÕailleurs les m•mes vecteurs qui sont utilisŽs.

Cette approche est satisfaisante au plan de la biosŽcuritŽ. Une de ses limites est quÕelle nŽcessitait initialement des concentrations ŽlevŽes de virus pour •tre efficace. NŽan- moins, de grands progr•s ont ŽtŽ rŽalisŽs et les doses efficaces peuvent •tre dŽsormais infŽrieures ˆ celles de vaccins inactivŽs conventionnels.

b / Vaccins inertes

Les agents des vaccins inertes sont totale- ment incapables de se multiplier, aussi bien in vitro que in vivo.

Les vaccins inactivŽs (figure 1, F)

Ils sont obtenus par exposition de lÕagent pathog•ne ˆ un agent physique (chaleur) ou surtout, actuellement, chimique (formol, bŽta- propioloactone, Žthyl•neimine...) qui entra”ne une perte totale dÕinfectivitŽ sans dŽnaturer le pouvoir immunog•ne. De mani•re ˆ obtenir une rŽponse immune satisfaisante, ces vaccins doivent contenir une masse importante dÕagent pathog•ne et nŽcessitent frŽquemment la prŽsence dÕadjuvant, deux facteurs qui expliquent leur cožt de production plus ŽlevŽ que les vaccins ˆ souche vivante modifiŽe.

Ces vaccins sont habituellement tr•s sžrs dans la mesure o• les procŽdures dÕinactiva- tion mises en place par les firmes sont dŽsor- mais correctement dŽfinies, mises en Ïuvre et contr™lŽes, apr•s quelques rares accidents dans le passŽ. Le risque associŽ ˆ ces vaccins ressort plut™t de rŽactions locales, liŽes en particulier ˆ la prŽsence dÕadjuvants.

Les fractions antigŽniques

Nous avons vu prŽcŽdemment que les connaissances actuelles sur les agents patho- g•nes pouvaient conduire ˆ identifier des pro- tŽines cibles principales de la rŽponse immune de lÕh™te. Ces informations peuvent permettre de dŽvelopper des vaccins vectori-

sŽs mais aussi des vaccins inertes subuni- taires, constituŽs uniquement de ces anti- g•nes, soit purifiŽs ˆ partir de lÕagent patho- g•ne, soit produites in vitro par les techniques du gŽnie gŽnŽtique.

- Antig•nes purifiŽs (figure 1, G)

DiffŽrents vaccins dirigŽs contre des herpes- virus (rhinotrachŽite infectieuse bovine, mala- die dÕAujeszky, coryza du chat) ou contre la grippe contiennent actuellement uniquement certaines protŽines de lÕenveloppe virale.

Cette approche permet de limiter la part de protŽines non nŽcessaires dans un vaccin et peut limiter le nombre de rŽactions non dŽsi- rables, comme celles liŽes aux protŽines internes au virus (herpesvirus) ou au substrat de culture (protŽines dÕÏuf pour les vaccins grippaux). Il en est de m•me de vaccins bactŽ- riens produits ˆ partir dÕexotoxines inactivŽes (anatoxines : tŽtanos...).

- ProtŽines produites par gŽnie gŽnŽtique (figure 1, G)

Il peut •tre impossible, ou simplement diffi- cile et cožteux, dÕobtenir certaines protŽines de microorganismes par purification. Ceci peut •tre liŽ ˆ une impossibilitŽ de culture de lÕagent pathog•ne ou ˆ des rendements insuf- fisants. Dans le cas de protŽines, une alterna- tive peut •tre dÕexprimer le g•ne correspon- dant dans des syst•mes in vitro adŽquats, correspondant ˆ un troisi•me type de vaccin recombinant. Ainsi, un vaccin contre la leu- cose fŽline est actuellement fabriquŽ par expression dÕune protŽine dÕenveloppe dans des bactŽries (colibacilles). Les vaccins contre lÕhŽpatite B humaine sont actuellement pro- duits par expression dÕun antig•ne dans des cellules de levure. Il existe Žgalement des sys- t•mes de virus (baculovirus) et de cellules dÕinsectes qui permettent Žgalement de pro- duire des protŽines Žtrang•res par infection de cellules avec un virus porteur du g•ne dÕin- tŽr•t. Tous ces syst•mes (colibacilles, cellules de mammif•res, cellules dÕinsectes, levures...) ne sont pas Žquivalents : sÕils sont tous capables de fabriquer le squelette de la pro- tŽine (cÕest-ˆ-dire la cha”ne polypeptidique), certains sont incapables de rŽaliser certaines modifications de cette cha”ne. Par exemple les colibacilles ne peuvent pas ajouter les rŽsidus sucrŽs des glycoprotŽines, contre lesquels la rŽponse immune est souvent dirigŽe.

- Peptides de synth•se

LÕaboutissement ultime de la dŽmarche rŽductionniste qui consiste ˆ dŽfinir de plus en plus finement les cibles de la rŽponse immune, et donc les constituants nŽcessaires dÕun vaccin, est reprŽsentŽ par les vaccins peptidiques. Nous avons vu en effet que la rŽponse immune de lÕh™te Žtait surtout dirigŽe contre certaines protŽines de lÕagent patho- g•ne. Cette rŽponse nÕest pas dirigŽe contre toute la protŽine mais surtout contre de petits fragments appelŽs Žpitopes, correspondant ˆ quelques acides aminŽs (cÕest-ˆ-dire un pep- tide). Certains Žpitopes sont dits conforma- tionnels, cÕest-ˆ-dire quÕils ne sont pas recon- nus sÕils adoptent une conformation spatiale diffŽrente de celle quÕils ont dans le protŽine

La fraction immunog•ne peut

•tre utilisŽe comme

vaccin : elle est

soit isolŽe ˆ partir

du pathog•ne, soit

produite par gŽnie

gŽnŽtique.

native. DÕautres, au contraire, sont dits linŽaires parce quÕils sont reconnus par le sys- t•me immunitaire m•me si leur structure dans lÕespace est modifiŽe. Cette derni•re catŽgorie dÕŽpitope est synthŽtisable, par simple synth•se chimique du peptide corres- pondant. De mani•re ˆ obtenir une immuno- gŽnicitŽ correcte, ces peptides doivent le plus souvent •tre couplŽs apr•s synth•se ˆ une protŽine porteuse (comme lÕovalbumine) et

•tre adjuvŽs. De tels peptides ont pu •tre uti- lisŽs avec succ•s pour vacciner les bovins contre certains sŽrotypes du virus de la fi•vre aphteuse (Doel et al 1990) ou le chien contre la parvovirose canine (Langeveld et al 1994).

NŽanmoins cette approche nÕa pour lÕinstant pas dŽbouchŽ sur un vaccin commercialisŽ.

Un commentaire gŽnŽral sur les vaccins constituŽs de protŽines produites par gŽnie gŽnŽtique ou de peptides est leur grande inno- cuitŽ, puisquÕˆ aucun moment lÕagent patho- g•ne ou un agent infectieux nÕest utilisŽ pour la fabrication du vaccin. Cette sŽcuritŽ limite Žga- lement les risques de contamination du person- nel pour les zoonoses et les risques dÕŽchappe- ment des sites de production pour les agents tr•s diffusibles comme les virus aphteux.

LÕimmunisation gŽnŽtique

Nous avons vu que des vecteurs viraux non rŽplicatifs permettaient dÕintroduire le g•ne dÕune protŽine immunog•ne dans des cellules in vivo et de susciter le dŽveloppement dÕune rŽponse immune. Plus rŽcemment, il a ŽtŽ dŽmontrŽ dans de nombreuses esp•ces mammi- f•res et aviaires que la simple inoculation intra- musculaire du g•ne (cÕest-ˆ-dire de lÕADN nu) permettait dÕobtenir les m•mes rŽsultats, bien quÕavec une efficacitŽ plus faible, nŽcessitant plusieurs injections (Ulmer et al 1993). Ce type de vaccin correspond ˆ un quatri•me type de vaccin recombinant. Pour lÕinstant, seule la voie musculaire se rŽv•le efficace dans ces condi- tions, mais de nouvelles approches modifient cette notion : utilisation de microparticules de taille infracellulaire couvertes de lÕADN du g•ne et propulsŽes par voie transdermique sous lÕac- tion dÕun pistolet Žlectrique ou ˆ helium (Ç gene gun È), incorporation du g•ne dans des lipo- somes... (revue de Davis et Whalen 1995). De nombreux laboratoires utilisent actuellement cette approche, sans quÕun vaccin commercialisŽ ni que des ŽlŽments convergents de comparai- son avec des vaccins obtenus par dÕautres stra- tŽgies soient actuellement disponibles.

2 / La rŽponse immune post- vaccinale : immunitŽ gŽnŽrale et immunitŽ muqueuse

2 .1 / Les effecteurs de la rŽponse immune

a / RŽponse antivirale

Deux effecteurs principaux (anticorps et lymphocytes T cytotoxiques) permettent de lutter contre lÕinfection virale en agissant soit

sur le virus extracellulaire, soit sur les cel- lules infectŽes.

Le virus extracellulaire peut •tre neutralisŽ par des anticorps reconnaissant certains Žpi- topes particuliers (anticorps neutralisants).

Ceux-ci peuvent agir de diffŽrentes mani•res : attachement ˆ des protŽines nŽcessaires ˆ la fixation ou ˆ la pŽnŽtration dans les cellules, dŽformation de la capside. Ce virus extracel- lulaire peut Žgalement •tre recouvert par des anticorps et alors phagocytŽ par des cellules mononuclŽŽes. SÕil sÕagit dÕun virus enveloppŽ, lÕattachement des anticorps peut Žgalement entra”ner lÕactivation du complŽment et la lyse de lÕenveloppe.

Les cellules infectŽes prŽsentant des frag- ments de protŽines virales en association avec les antig•nes dÕhistocompatibilitŽ de classe I (CMH I) peuvent •tre dŽtruites par les lym- phocytes T cytotoxiques. Si elles expriment un antig•ne viral ˆ leur surface (ce qui est frŽ- quent), elles peuvent Žgalement •tre recon- nues par des anticorps et en dŽfinitive dŽtruites par des cellules tueuses (mŽcanisme dit ADCC : antibody dependant cell cytolysis).

Enfin, elles peuvent •tre dŽtruites par des cel- lules NK (natural killer), phŽnom•ne sans spŽcificitŽ immunologique.

b / RŽponse antibactŽrienne

La rŽponse immune contre des bactŽries dont le pouvoir pathog•ne est fondŽ sur la sŽcrŽtion dÕune exotoxine (tŽtanos et autres infections ˆ Clostridium...) est basŽe sur la rŽponse en anticorps neutralisant la toxine, en emp•chant sa fixation sur ses cibles cellulaires.

La rŽponse immune contre les bactŽries ˆ pouvoir dÕinfection systŽmique est surtout basŽe sur le dŽveloppement dÕanticorps. Ces anticorps jouent un r™le diffŽrent en fonction des situations. Par exemple, chez les bactŽries possŽdant une capsule les protŽgeant de la phagocytose en inhibant leur adhŽsion au phagocyte, ils peuvent reconna”tre les anti- g•nes K de E. Coli avec neutralisation du pou- voir antiphagocytaire de la capsule ou neutra- lisation des facteurs dÕattachement. Chez les bactŽries non encapsulŽes, ils peuvent facili- ter la phagocytose (cette facilitation est appe- lŽe opsonisation). Enfin, lÕaction conjointe des anticorps et du complŽment parfois associŽe au lysosyme (enzyme protŽolytique) peut conduire ˆ une lyse bactŽrienne.

Enfin, nous avons vu que la rŽponse immune contre les bactŽries intracellulaires Žtait fondŽe sur un mŽcanisme dÕactivation macrophagique, rendant le macrophage apte ˆ dŽtruire de telles bactŽries.

En fonction du ou des effecteurs majeurs du pouvoir pathog•ne, lÕimmunitŽ anti-bactŽ- rienne sera un Žquilibre entre ces diffŽrentes modalitŽs.

2 .2 / La rŽponse immune post-vaccinale

La rŽponse immune post-vaccinale varie en fonction du mode de prŽsentation de lÕanti- g•ne au syst•me immunitaire.

INRA Productions Animales, janvier 1998

10 / M. ELOIT

LÕefficacitŽ de la vaccination varie selon le mode de prŽsentation

de lÕantig•ne

au syst•me

immunitaire.

Le syst•me le plus simple est reprŽsentŽ par les vaccins vivants composŽs de souches attŽnuŽes. A la fois par leur compo- sition (tous les antig•nes de lÕagent patho- g•ne, majeurs et mineurs, sont prŽsents) et par le fait quÕil rŽalisent une multiplication chez lÕh™te, ils sont les plus susceptibles dÕin- duire une rŽponse immune proche de celle de lÕinfection naturelle. Ils sont en particulier capables dÕinduire ˆ la fois une rŽponse cellu- laire cytotoxique et une rŽponse anticorps sys- tŽmiques. Ceci doit nŽanmoins •tre relativisŽ pour plusieurs raisons. Tout dÕabord, lÕattŽ- nuation dÕune souche peut conduire ˆ un tr•s faible degrŽ de rŽplication chez lÕh™te, caractŽ- ristique bŽnŽfique en terme de sŽcuritŽ, mais nŽfaste pour lÕinduction dÕune rŽponse immune. De plus, il est rare que les vaccins vivants soient administrŽs par la voie nor- male dÕinfection, gŽnŽralement muqueuse.

LÕinduction dÕune immunitŽ muqueuse solide est alors compromise, sauf si la souche vacci- nale prŽsente un pouvoir invasif ŽlevŽ (a priori non souhaitable). Pour ces raisons, il est clair que sÕil existe pour certaines mala- dies dÕexcellents vaccins vivants, bien supŽ- rieurs ˆ leurs homologues inertes, cette r•gle nÕest nŽanmoins pas gŽnŽrale. Tout au plus peut-on conclure que, idŽalement, le vaccin le plus efficace devrait •tre une souche attŽnuŽe administrŽe par la voie naturelle dÕinfection...

ˆ condition quÕune telle souche soit disponible et puisse •tre administrŽe par cette voie sans risque de rŽexcrŽtion et de diffusion.

Les vaccins vivants vectorisŽs reprŽsen- tent a priori un bon compromis. Ils prŽsentent Žgalement lÕantig•ne au syst•me immunitaire de mani•re adŽquate et suscitent lÕinduction dÕune immunitŽ ˆ la fois humorale et cyto- toxique. Le choix entre vecteurs rŽplicatifs et non rŽplicatifs est avant tout fondŽ sur des considŽrations de dose nŽcessaire, les vecteurs non rŽplicatifs nŽcessitant habituellement des doses plus ŽlevŽes, mais fournissant des garanties plus solides en terme de dissŽmina- tion dans lÕenvironnement. La vaccination gŽnŽtique semble prŽsenter des caractŽris- tiques voisines. On peut reprocher ˆ ces sys- t•mes une approche assez rŽductionniste, limitant les antig•nes utilisŽs ˆ un petit nombre, ce qui peut •tre limitant pour des agents pathog•nes complexes (gros virus et bactŽries). Enfin lÕinduction dÕune immunitŽ muqueuse est essentiellement fonction de la voie dÕadministration : de nombreux syst•mes de vecteurs poss•dent un potentiel dŽmontrŽ pour une administration par voie oronasale (poxvirus, adŽnovirus, salmonelles ...) (McClure et Emery 1993, McGhee et Kiyono 1993).

Les vaccins inertes (vaccins inactivŽs, sous-unitŽs produites par purification ou par des techniques de gŽnie gŽnŽtique ou de syn- th•se in vitro) poss•dent des propriŽtŽs com- munes. A lÕŽtat brut (sans adjuvant), ils sont uniquement capables dÕinduire une rŽponse en anticorps systŽmique. De mani•re gŽnŽrale, ils nÕinduisent pas de rŽponse cytotoxique (dont nous rappelons quÕelle nŽcessite gŽnŽra-

lement une synth•se de protŽines intracellu- laires, ainsi quÕune prŽsentation au syst•me immunitaire au travers du CMH I). Enfin, ils sont incapables dÕinduire une immunitŽ muqueuse significative, m•me lorsquÕils sont administrŽs par une telle voie. NŽanmoins une immunitŽ gŽnŽrale protectrice aurait ŽtŽ obtenue chez le poulet apr•s administration orale de virus inactivŽ de la maladie de Gum- boro (Hoshi et al 1995). LorsquÕon aura ajoutŽ quÕils sont plus cožteux ˆ produire, on admet- tra que, comparŽs aux vaccins vivants, les vaccins inertes semblent ne possŽder que des dŽsavantages, uniquement compensŽs par leur innocuitŽ. Pourtant lÕexpŽrience montre que nombre de ces vaccins se rŽv•lent aussi efficace que des vaccins vivants, y compris contre des maladies virales dans lesquelles la composante cytotoxique de lÕimmunitŽ est importante (comme la plupart des maladies virales). Ceci sÕexplique tout dÕabord, comme nous lÕavons vu, par le r™le des anticorps dans la neutralisation de virus ou de bactŽries extracellulaires. Or nombre de virus et bien sžr de bactŽries sont prŽsents ˆ un moment ou ˆ un autre de leur cycle en position extra- cellulaire, voire suscitent une virŽmie ou une bactŽriŽmie. De plus, nous avons vu que des cellules infectŽes par des virus pouvaient •tre dŽtruites par des mŽcanismes dÕADCC (anti- body dependant cell cytolysis) en lÕabsence de rŽponse cellulaire cytotoxique.

Conclusion

A lÕissue de cette synth•se, plusieurs para- doxes peuvent appara”tre.

Le premier dÕentre eux est le dŽcalage appa- rent entre les progr•s de la biologie molŽcu- laire et lÕabsence dÕentrŽe en force sur le mar- chŽ de produits relevant dÕune telle technologie. Plusieurs raisons synergiques permettent de lÕexpliquer. Tout dÕabord, puisque des vaccins conventionnels satisfai- sants existent pour la plupart des maladies majeures, ces nouvelles approches sont rŽser- vŽes ˆ des maladies qui ne bŽnŽficient pas de couverture vaccinale. Ces maladies sont sou- vent celles qui posent des probl•mes dÕordre immunologique non rŽsolus : nature des anti- g•nes protecteurs mal connue, mŽcanisme dÕŽchappement ˆ la rŽponse immune. Les Žchecs sont donc relativement nombreux, alors que ces m•mes approches se rŽv•lent satisfaisantes pour dÕautres maladies qui bŽnŽficient dŽjˆ de vaccins. A cela sÕajoute la lourdeur des procŽdures dÕenregistrement pour les produits dŽrivŽs de la biotechnologie, qui peut rendre les industriels rŽticents ˆ pri- vilŽgier cette approche.

Un autre paradoxe correspond ˆ lÕabsence

apparente de lignes directrices Žvidentes dans

la dŽfinition dÕun vaccin. Ainsi, une m•me

maladie, comme la rhinotrachŽite infectieuse

bovine, peut bŽnŽficier de plusieurs types de

vaccin, vivants et inactivŽs, sur le marchŽ

europŽen, parfois fabriquŽs ˆ partir de la

m•me souche dans ses versions vivante et

inactivŽe. Parall•lement, de nombreux tra- vaux dŽmontrent des protections satisfai- santes avec des vaccins vectorisŽs ou inertes ˆ base de certaines protŽines dÕenveloppe. Il faut admettre que la conception dÕun vaccin dŽpend certes du type dÕimmunitŽ attendue, mais Žgalement de facteurs conjoncturels comme lÕexistence dÕune souche vaccinale vivante satisfaisante (vaccin vivant) ou dÕune souche ayant des rendements de culture satis- faisants pour la production dÕun vaccin inac- tivŽ, sans parler des cožts du dŽveloppement et de lÕenregistrement. De plus, lÕutilisation dÕadjuvants tend ˆ modifier la rŽponse natu- relle contre un antig•ne inactivŽ. En dŽfini- tive, le risque dans ce domaine est de raison- ner en termes qualitatifs gŽnŽraux vis-ˆ-vis de certains types de vaccin (prŽsence ou absence dÕune immunitŽ muqueuse, dÕune rŽponse T cytotoxique...), alors que la protec- tion rŽsulte dÕune combinaison de diffŽrents mŽcanismes immunologiques. Ainsi, un titre

ŽlevŽ en anticorps neutralisants peut compen- ser lÕabsence dÕimmunitŽ muqueuse ˆ la porte dÕentrŽe de lÕinfection dans le cas dÕinfection systŽmique. La comparaison en terme gŽnŽ- raux des diffŽrentes approches est difficile, car elle ne peut sÕaffranchir du probl•me des doses, difficilement standardisables : com- ment en effet comparer, pour une m•me mala- die, des approches vaccin vivant, inactivŽ, subunitaire et vectorisŽ ? La seule comparai- son possible est celle qui porte sur le produit fini sur esp•ce cible : elle se rŽv•le souvent tr•s cožteuse et nÕapporte dÕinformation que sur les produits ŽtudiŽs.

En dŽfinitive la vaccinologie reste un domaine en pleine Žvolution, qui se situe ˆ lÕintersection de la virologie et bactŽriologie, de lÕimmunologie, de la galŽnique et de lÕŽpi- dŽmiologie. En ce sens, il ne faut gu•re attendre de solution unique ˆ un objectif a priori simple, celui de protŽger contre une maladie infectieuse.

INRA Productions Animales, janvier 1998

12 / M. ELOIT

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Traditional and recombinant vaccines.

Several types of vaccines are currently used or being developed. They can be splited into two categories : live and inactivated vaccines. Tradi- tional live vaccines are attenuated by various methods, including growth in unusual conditions (for bacteria) or in cells or animal species to which they are not initially adapted (for viruses).

New generation of live vaccines are obtained trough recombinant DNA technology (recombi- nant vaccines) : they can be generated either by directed mutagenesis of virulence genes or by cloning genes of immunogenic proteins into vec- tors i.e. other bacteria or viruses with attractive properties of safety and efficiency. Conventional inactivated vaccines are made by the use of phy- sical or chemical treatment of micro-organisms.

As the immunogenic components of micro-orga-

nisms are more and more well identified, they can be used to make vaccines containing only these major immunogenic components (subunit vaccines), in which the antigenic fraction is deri- ved by purification of antigens, or by in vitro gene expression of proteins (another type of recombinant vaccines) or chemical synthesis of peptides. Finally, recent advances demonstrated that direct inoculation of an immunogenic pro- tein encoding gene into muscle of several animal species (known as genetic immunisation, which defines another type of recombinant vaccines) was able to elicit antibody and cellular immune responses. Systemic and mucosal immunity conferred by live and inactivated vaccines are analysed.

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Abstract