Mucosal immunity and vaccines against viral infections

Cover Image

Cite item

Full Text

Abstract

Mucosal immunity is realized through a structural and functional system called mucose-associated lymphoid tissue (MALT). MALT is subdivided into parts (clusters) depending on their anatomical location, but they all have a similar structure: mucus layer, epithelial tissue, lamina propria and lymphoid follicles. Plasma cells of MALT produce a unique type of immunoglobulins, IgA, which have the ability to polymerize. In mucosal immunization, the predominant form of IgA is a secretory dimer, sIgA, which is concentrated in large quantities in the mucosa. Mucosal IgA acts as a first line of defense and neutralizes viruses efficiently at the portal of entry, preventing infection of epithelial cells and generalization of infection. To date, several mucosal antiviral vaccines have been licensed, which include attenuated strains of the corresponding viruses: poliomyelitis, influenza, and rotavirus. Despite the tremendous success of these vaccines, in particular, in the eradication of poliomyelitis, significant disadvantages of using attenuated viral strains in their composition are the risk of reactogenicity and the possibility of reversion to a virulent strain during vaccination. Nevertheless, it is mucosal vaccination, which mimics a natural infection, is able to induce a fast and effective immune response and thus help prevent and possibly stop outbreaks of many viral infections. Currently, a number of intranasal vaccines based on a new vector approach are successfully undergoing clinical trials. In these vaccines, the safe viral vectors are used to deliver protectively significant immunogens of pathogenic viruses. The most tested vector for intranasal vaccines is adenovirus, and the most significant immunogen is SARSCoV-2 S protein. Mucosal vector vaccines against human respiratory syncytial virus and human immunodeficiency virus type 1 based on Sendai virus, which is able to replicate asymptomatically in cells of bronchial epithelium, are also being investigated.

About the authors

S. S. Zainutdinov

FSBI State Scientific Center of Virology and Biotechnology «Vector» of the Federal Service for Surveillance of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-5818-4402

630559, Novosibirsk Region, Kol’tsovo, Russia

Russian Federation

G. F. Sivolobova

FSBI State Scientific Center of Virology and Biotechnology «Vector» of the Federal Service for Surveillance of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-8362-0314

630559, Novosibirsk Region, Kol’tsovo, Russia

Russian Federation

V. B. Loktev

FSBI State Scientific Center of Virology and Biotechnology «Vector» of the Federal Service for Surveillance of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-0229-321X

630559, Novosibirsk Region, Kol’tsovo, Russia

Russian Federation

G. V. Kochneva

FSBI State Scientific Center of Virology and Biotechnology «Vector» of the Federal Service for Surveillance of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Author for correspondence.
Email: kochneva@vector.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-2420-0483

Galina V. Kochneva, Dr.Sci. (Biol.), Leading Researcher, Head of the Viral Hepatitis Laboratory

630559, Novosibirsk Region, Kol’tsovo, Russia

Russian Federation

References

  1. Terauchi Y., Sano K., Ainai A., Saito S., Taga Y., Ogawa-Goto K., et al. IgA polymerization contributes to efficient virus neutralization on human upper respiratory mucosa after intranasal inactivated influenza vaccine administration. Hum. Vaccin. Immunother. 2018; 14(6): 1351–61. https://doi.org/10.1080/21645515.2018.1438791
  2. Russell M.W., Moldoveanu Z., Ogra P.L., Mestecky J. Mucosal Immunity in COVID-19: A Neglected but Critical Aspect of SARSCoV-2 Infection. Front. Immunol. 2020; 11: 611337. https://doi.org/10.3389/fmmu.2020.611337
  3. Miquel-Clopes E.G., Bentley J.P., Stewart S.R., Carding S.R. Mucosal vaccines and technology. Clin. Exp. Immunol. 2019; 196(2):205–14. https://doi.org/10.1111/cei.13285
  4. Travis C.R. As plain as the nose on your face: The case for a nasal (mucosal) route of vaccine administration for Covid-19 disease prevention. Front. Immunol. 2020; 11: 591897. https://doi.org/10.3389/fmmu.2020.591897
  5. Лусс Л.В., Шартанова Н.В., Назарова Е.В. Аллергический и неаллергический ринит: эффективность барьерных методов. Эффективная фармакотерапия. 2018; (17): 10–6.
  6. Козлов И.Г. Микробиота, мукозальный иммунитет и антибиотики: тонкости взаимодействия. Русский медицинский журнал. 2018; 26(8-1): 19–27.
  7. Ye L., Schnepf D., Staeheli P. Interferon-λ orchestrates innate and adaptive mucosal immune responses. Nat. Rev. Immunol. 2019; 19(10): 614–25. https://doi.org/10.1038/s41577-019-0182-z
  8. Broggi A., Tan Y., Granucci F., Zanoni I. IFN-λ suppresses intestinal inflammation by non-translational regulation of neutrophil function. Nat. Immunol. 2017; 18(10): 1084–93. https://doi.org/10.1038/ni.3821
  9. Fruitwala S., El-Naccache D.W., Chang T.L. Multifaceted immune functions of human defensins and underlying mechanisms. Semin. Cell Dev. Biol. 2019; 88: 163–72. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2018.02.023
  10. Щубелко Р.В., Зуйкова И.Н., Шульженко А.Е. Мукозальный иммунитет верхних дыхательных путей. Иммунология. 2018; 39(1): 81–8. https://doi.org/10.18821/0206-4952-2018-39-1-81-88
  11. Хаитов М.Р., Ильина Н.И., Лусс Л.В., Бабахин А.А. Мукозальный иммунитет респираторного тракта и его роль при профессиональных патологиях. Медицина экстремальных ситуаций. 2017; 61(3): 8–24.
  12. Coffey J.W., Gaiha G.D., Traverso G. Oral biologic delivery: advances towards oral subunit, DNA and mRNA vaccines and the potential for mass vaccination during pandemics. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2021; 61: 517–40. https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-030320-092348
  13. Kumar N., Arthur C.P., Ciferri C., Matsumoto M.L. Structure of the secretory immunoglobulin A core. Science. 2020; 367(6481):1008–14. https://doi.org/10.1126/science.aaz5807
  14. Hickey A.J., Garmise R.J. Dry powder nasal vaccines as an alternative to needle-based delivery. Crit. Rev. Ther. Drug Carr. Syst. 2009; 26(1): 1–27. https://doi.org/10.1615/critrevtherdrugcarriersyst.v26.i1.10
  15. Bennett J.V., De Castro J.F., Valdespino-Gomez J.L., Garcia-Garcia M. de. L., Islas-Romero R., Echaniz-Aviles G., et al. Aerosolized measles and measles-rubella vaccines induce better measles antibody booster responses than injected vaccines: Randomized trials in Mexican schoolchildren. Bull. World Health Organ. 2002; 80(10):806–12. https://apps.who.int/iris/handle/10665/268635 (accessed November 14, 2021).
  16. Hellfritzsc M., Scherlie R. Mucosal vaccination via the respiratory tract. Pharmaceutics. 2019; 11(8): 375. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics11080375
  17. Kozlowski P.A., Aldovini A. Mucosal vaccine approaches for prevention of HIV and SIV transmission. Curr. Immunol. Rev. 2019; 15(1): 102–22. https://doi.org/10.2174/1573395514666180605092054
  18. Nyombayire J., Anzala O., Gazzard B., Karita E., Bergin F., Hayes P., et al. First-in-human evaluation of the safety and immunogenicity of an intranasally administered replication-competent Sendai virus-vectored HIV type 1 gag vaccine: Induction of potent T-cell or antibody responses in prime-boost regimens. J. Infect. Dis. 2017; 215(1): 95–104. https://doi.org/10.1093/infdis/jiw500
  19. Jorba J., Diop O.M., Iber J., Henderson E., Zhao K., Sutter R.W., et al. Update on vaccine-derived polioviruses – worldwide, January 2017 – June 2018. MMWR Morb. Mortal. Wkly Rep. 2018; 67(42):1189–94. https://doi.org/10.15585/mmwr.mm6742a5
  20. Dhere R., Yeolekar L., Kulkarni P., Menon R., Vaidya V., Ganguly M., et al. A pandemic influenza vaccine in India: From strain to sale within 12 months. Vaccine. 2011; 29(Suppl. 1): A16–21. https://doi.org/10.1016/j.vaccine.2011.04.119
  21. Belshe R.B., Edwards K.M., Vesikari T., Black S.V., Walker R.E., Hultquist M., et al. Attenuated versus inactivated influenza vaccine in infants and young children. N. Engl. J. Med. 2007; 356(7): 685–96. https://doi.org/10.1056/NEJMoa065368
  22. Murphy T.V., Gargiullo P.M., Massoudi M.S., Nelson D.B., Jumaan A.O., Okoro C.A., et al. Intussusception among infants given an oral rotavirus vaccine. N. Engl. J. Med. 2001; 344(8): 564–72. https://doi.org/10.1056/NEJM200102223440804
  23. Rotavirus vaccines WHO position paper: January 2013 – Recommendations. Vaccine. 2013; 31(52): 6170–1. https://doi.org/10.1016/j.vaccine.2013.05.037
  24. Adderson E., Branum K., Sealy R.E., Jones B.G., Surman S.L., Penkert R. Safety and immunogenicity of an intranasal Sendai virus-based human parainfluenza virus type 1 vaccine in 3- to 6-yearold children. Clin. Vaccine Immunol. 2015; 22(3): 298–303. https://doi.org/10.1128/CVI.00618-14
  25. Huang F.S., Bernstein D.I., Slobod K.S., Portner A., Takimoto T., Russell S.J., et al. Safety and immunogenicity of an intranasal Sendai virus-based vaccine for human parainfluenza virus type I and respiratory syncytial virus (SeVRSV) in adults. Hum. Vaccin. Immunother. 2021; 17(2): 554–9. https://doi.org/10.1080/21645515.2020.1779517
  26. Tasker S., O’Rourke A.N., Suyundikov A., Booth P.-G.J., Bart S., Krishnan V., et al. Safety and immunogenicity of a novel intranasal influenza vaccine (NasoVAX): A phase 2 randomized, controlled trial. Vaccines. 2021; 9(3): 224. https://doi.org/10.3390/vaccines9030224
  27. Lund F.E., Randall T.D. Scent of a vaccine. Science. 2021; 373(6553): 397–9. https://doi.org/10.1126/science.abg9857
  28. King R.G., Silva-Sanchez A., Peel J.N., Botta D., Dickson A.M., Pinto A.K., et al. Single-dose intranasal administration of AdCOVID elicits systemic and mucosal immunity against SARS-CoV-2 and fully protects mice from lethal challenge. Vaccines (Basel). 2021; 9(8): 881. https://doi.org/10.3390/vaccines9080881
  29. Hassan A.O., Kafai N.M., Dmitriev I.P., Fox J.M., Smith B.K., Harvey I.B., et al. A single-dose intranasal ChAd vaccine protects upper and lower respiratory tracts against SARS-CoV-2. Cell. 2020; 183(1): 169–84.E13. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.026
  30. Hassan A.O., Shrihari S., Gorman M.J., Ying B., Yuan D., Raju S., et al. An intranasal vaccine durably protects against SARSCoV-2 variants in mice. Cell Rep. 2021; 36(4): 109452. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109452
  31. Hassan A.O., Feldmann F., Zhao H., Curiel D.T., Okumura A., Tang-Huau T.L., et al. A single intranasal dose of chimpanzee adenovirus-vectored vaccine protects against SARS-CoV-2 infection in rhesus macaques. Cell Rep. Med. 2021; 2(4): 100230. https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2021.100230
  32. Doremalen N., Purushotham J.N., Schulz J.E., Holbrook M.G., Bushmaker T., Carmody F., et al. Intranasal ChAdOx1 nCoV-19/AZD1222 vaccination reduces viral shedding after SARSCoV-2 D614G challenge in preclinical models. Sci. Transl. Med. 2021; 13(607): eabh0755. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abh0755
  33. Gallo O., Locatello L.G., Mazzoni A., Novelli L., Annunziato F. The central role of the nasal microenvironment in the transmission, modulation, and clinical progression of SARS-CoV-2 infection. Mucosal Immunol. 2020; 14(2): 305–16. https://doi.org/10.1038/s41385-020-00359-2
  34. Moreno-Fierros L., García-Silva I., Rosales-Mendoza S. Development of SARS-CoV-2 vaccines: should we focus on mucosal immunity? Expert. Opin. Biol. Ther. 2020; 20(8): 831–6. https://doi.org/10.1080/14712598.2020.1767062
  35. Mudgal R., Nehul S., Tomar S. Prospects for mucosal vaccine: shutting the door on SARS-CoV-2. Hum. Vaccin. Immunother. 2020; 16(12): 2921–31. https://doi.org/10.1080/21645515.2020.1805992

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 Zainutdinov S.S., Sivolobova G.F., Loktev V.B., Kochneva G.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».