Adjuvant는 백신 항원에 대한 Adaptative immune 반응을 증강하고 조절하는데 필수적입니다. 이러한 반응은 주로 B cells와 T cells이라는 두가지 주요 lymphocyte에 의해 매개됩니다.
B cells은 cytokike에 의해 활성화되면 memory B cells(long-lived antigen-specific B cells)나 plasma cells(대량의 항체를 분비하는 effector B cells)로 분화합니다. 대부분의 항원은 주로 Th1과 Th2 cells인 activated T helper (Th) cells를 사용하여 B cells을 활성화합니다.
Th1 cells은 IFN-γ를 분비하여 Macrophage를 활성화하고 B cells에 의한 옵소닌화 항체 (Opsonizing antibody) 생성을 유도합니다. Th1 반응은 주로 cell-mediated immunity, Cellular reponse를 유도하며 이는 세포 내 병원체 (침습성 박테리아, 원생동물, 바이러스)에 대한 방어를 제공합니다. Th1 반응은 Cytotoxic T lymphocyte (CTL, T cells 하위그룹)을 활성화하여 virus 및 기타 세포 내 병원체에 감염된 세포의 사멸을 유도합니다. 또한, natural killer (NK) cell도 Th1 반응에 의해 활성화되며, 이들은 종양 및 바이러스에 감염된 세포의 apoptosis를 유도하는데 중요한 역할을 합니다.
Th2 cells은 IL-4를 포함한 cytokines을 분비하여 B cells이 중화 항체를 생성하도록 유도합니다. Th2 cells은 일반적으로 체액성 면역을 유도하며, 이는 세포 외 병원체 (기생충, 세포 외 미생물, 독소)에 대한 방어에 중요합니다.
백신에 대한 Th 반응의 크기와 유형은 adjuvants를 통해 크게 조절될 수 있습니다. 약 80년 동안 Aluminium salts (alum)은 인간 백신에서 사용된 유일한 adjuvant이며, 최근 20년 동안 MF59®, AS04와 같은 새로운 adjuvant가 새로운 백신 구성에 도입되었습니다. 면역원성과 adjuvancy (보조제 효과)의 메커니즘에 대한 이해가 깊어짐에 따라 새로운 adjuvant와 그에 대한 조합이 개발되고 있습니다.
Mechanisms of adjuvants
Adjuvant는 다양한 메커니즘을 통해 효과를 발휘할 수 있습니다.
Alum과 emulsion (MF59®)과 같은 일부 adjuvant는 주사 부위에서 항원을 포획하여 지속적으로 방출함으로써 면역 체계를 계속 자극하는 depot효과를 유도합니다. 이러한 adjuvant는 주사 부위에서 항원의 지속성을 높이고 antigen-presenting cells (APCs)의 모집과 활성을 증가시킵니다. Alum과 같은 particulate adjuvant는 항원과 결합하여 multi-molecular aggregate를 형성함으로써 APCs에 의한 섭취를 촉진합니다.
일부 adjuvants는 MHC를 통해 항원 제시를 직접적으로 조절할 수 있습니다.
Pattern recognition receptor (PRR)의 ligand로 작용하는 다른 adjuvants들은 innate ummunity를 유도하며, 주로 APCs를 표적으로 하여 adaptive immune 반응에 영향을 미칩니다. Toll-like receptor (TLR), NOD-like receptor (NLR), RIG-I-like receptor (RLR), C-type lectin receptor (CLR)과 같은 PRR 패밀리의 구성원들은 모두 adjuvant의 잠재적 target이 될 수 있습니다. NLRP3 및 NLRC4와 같은 특정 NLR 패밀리 구성원의 활성화는 IL-1β 및 IL-18과 같은 inflammatory cytokines을 유도하는 단백질 복합체인 inflammasome의 형성을 촉발합니다. NLRP3와 NLRC4 inflammasome은 특정 adjuvants에 의해 유도되는 innate immune과 관련이 있지만, 그 작용 메커니즘은 여전히 연구 중입니다.
Alum & emulsions
Alum은 인간 백신에서 가장 널리 사용되는 adjuvant입니다. 디프테리아-파상풍-백일해, 인간 유두종 바이러스, 간염 백신 등에서 널리 사용됩니다. Alum은 강력한 Th2 반응을 유도하지만 Th1-cell-mediated immunity가 필요한 병원체에 대해서는 효과가 제한적입니다. 이 adjuvant는 depot 효과와 APC 활성화를 통해 면역 반응을 유도하며, NLRP3 inflammasome이 Alum의 면역자극 효과와 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다.
Oil-in-water 또는 water-in-oil 형태의 emulsion (Freund's Incomplete Adjuvant(IFA), MF59® 등)은 depot 효과를 유도하고 MHC 반응을 촉진합니다. IFA는 주로 Th2 편향 반응을 유도하며 일부 Th1 반응도 유발합니다. MF59®은 Th1 (세포성 면역)과 Th2 (체액성 면역) 반응 모두를 강력하게 자극합니다. 그러나 emulsion 기반 adjuvant의 작용 메커니즘은 여전히 명확히 규명되지 않았으며, 자가면역을 유도할 가능성이 단점으로 지적됩니다.
PRR ligands
전통적인 adjuvant는 강력한 Th2 반응을 유도하는 반면, Th1 반응이 필요한 백신 (간염, 독감, 말라리아, HIV)에는 제한적입니다. 이에 따라 강력한 Th1 편향 반응을 유도하는 새로운 adjuvants 개발이 진행 중입니다. PRR 활성화는 pro-inflammatory cytokines/chemokines 및 I IFNs의 생성을 자극하여 숙주가 병원체를 제거하는 능력을 증가시킵니다. 따라서 백신 제형에 Pathogens Associated Molecular Pattern (PAMPs)를 포함하면 백신 특이적 반응의 유도 과정을 개선하고 가속화 할 수 있습니다.
TLR3 and RLR ligands
double-strand RNA (dsRNA)는 대부분의 바이러스 복제 과정에서 생성되며, innate immune의 강력한 유도제입니다. Poly(I:C)와 같은 Synthetic dsRNA는 TLR3 및 RIG-I/MDA-5 pathway를 통해 IL-12 및 type I IFN 생성을 유도하며, 항원을 MHC class II 분자로 교차 제시하여 CTL (cytotoxic T cell)의 생성을 촉진합니다.
TLR4 ligands
Bacterial lipopolysaccharides (LPS)는 TLR4의 ligands로 작용하며 강력한 adjuvant로 알려져 있지만, pyrogenic activity로 인해 임상 사용이 제한되었습니다. 독성이 낮은 변형체인 MPLA (monophosphoryl lipid A)가 개발되었으며, Alum과 함께 AS04로 fomulation되어 강력한 Th1 반응을 유도하며 유럽에서 임상적으로 사용되고 있습니다.
TLR5 ligands
Bacterial flagellin은 강력한 T cell 항원으로, 혼합 형태 또는 항원에 융합된 형태로 adjuvant로 사용됩니다. Th1과 Th2 반응 모두를 유도할 수 있는 특징이 있지만, 재조합 백신 항원에 더 자주 융합됩니다.
TLR7/8 ligands
Single-strand RNA (ssRNA)를 인식하는 TLR7/8 pathway는 유망한 adjuvant 타겟입니다. Imidazoquinoline 계열 화합물 (imiquimod, gardiquimod, R848)은 TLR7/8을 활성화하여 IFN-a와 IL-12를 생성하고 Th1 반응을 촉진합니다.
TLR9 ligands
ODN 1826과 ODN 2006과 같은 CpG 서열을 포함한 oligonucleotide (CpG ODN)은 TLR9에 의해 인식됩니다. 이는 항체 생성을 증가시키고 Th2 반응 대신 Th1 반응을 강하게 유도합니다. TLR 및 interferon gene (STING) 경로를 표적으로 하는 고유한 adjuvant 조합은 STING-dependent nucleic acid sensing pathway를 통해 작용하며, 백신 개발의 유망한 후보로 간주되고 있습니다.
NOD2 ligands
Muramyl dipeptide (MDP)는 세균 세포벽의 단편으로, NOD3 및 NLRP3 inflammasome을 활성화하여 며역 반응을 촉진합니다. 최근에는 TLR7과 NOD2의 이중 작용을 가진 보조제가 전신 및 점막 면역 모두를 유도하는데 효과적임이 밝혀졌습니다.
Conjugatable PRR ligands
Conjugatable PRR ligands는 합성 PAMP로, 화학적으로 수정되어 화학적 연결 고리를 통해 펩타이드/단백질과 결합할 수 있도록 설계되었습니다. 이러한 assemble은 bioconjugate를 생성합니다. 유망한 치료용 bioconjugate로는 Immune-Stimulating Antibody Conjufates (ISACs)와 Antigen-Adjuvant Conjugate (AACs)를 포함합니다. InvivoGen은 dendritic cell 및 antigen presenting cell (APC)에서 발현되는 PRR에 대한 결합 가능한 ligands를 제공합니다. 특히 TLR7 또는 STING을 표적으로 삼는 것은, inflammatory cytokines의 생성을 유도하여 암이나 병원체에 의해 유발된 질병 모델에서 면역 반응을 증폭시키는데 중요한 역할을 한다는 점에서 주목받고 있습니다.
현재 임상적으로 사용되는 adjuvant는 주로 체액성 면역을 강화하지만, 새로운 adjuvant는 다각적인 면역 반응을 유도하는데 중점을 두고 개발되고 있습니다. PRR pathway는 강력한 cell-mediated-immunity를 유도할 수 있는 새로운 백신 adjuvant의 유망한 원천입니다.
References
1. Leroux-Roels G., 2010. Unmet needs in modern vaccinology adjuvants to imporve the immune response. Vaccine. 28S(3):C25-3.
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3. Deets K. et al., 2021. Inflammasomes and adaptive immune responses. Nat Immunol. Apr;22(4):412-422.
4. Marrack P. et al., 2009. Towards an understanding of the adjuvant action of aluminium. Nat Rev Immunol. 9(4):287-93.
5. Ott G. et al., 1995. MF59. Design and evaluation of a safe and potent adjuvant for human vaccines. Pharm Biotechnol 6: 277-96.
6. Steinhagen F. et al., 2010. TLR-based immune adjuvants. Vaccine [Epub ahead of print].
7. Pulendran B. et al., 2021, Nature Reviews Drug Discovery volume 20, pages454–475.
8. Coffman R. et al., 2010. Vaccine adjuvants: Putting innate immunity to work. Immunity 33(4):492-503.
9. Reed S.G. et al. 2016, The science of vaccine adjuvants: advances in TLR4 ligand adjuvants. Curr Opin Immunol., Aug;41:85-90.
10. Huleatt J. et al., 2007.Vaccination with recombinant fusion proteins incorporating Toll-like receptor ligands induces rapid cellular and humoral immunity. Vaccine 25(4): 763-75.
11. Mizel S. & Bates JT., 2010. Flagellin as an adjuvant: Cellular mechanisms and potential. J Immunol. 175(10):5677-82.
12. Dowling D., Recent Advances in the Discovery and Delivery of TLR7/8 Agonists as Vaccine Adjuvants, 2018, Immunohorizons, Jul 2;2(6):185-197
13. Kobayashi H. et al., 1999. Immunostimulatory DNA pre-priming: a novel approach for prolonged Th1-biased immunity. Cell Immunol 198(1): 69-75.
14. Temizoz B. et al., Combination and inducible adjuvants targeting nucleic acid sensors. 2018, Curr Opin Pharmacol. Aug;41:104-113
15. Girardin S. et al., 2003. Nod2 is a general sensor of peptidoglycan through muramyl dipeptide (MDP) detection. J Biol Chem. 278(11):8869-72.
16.Gutjahr A. et al. 2020, New chimeric TLR7/NOD2 agonist is a potent adjuvant to induce mucosal immune responses, EBioMedicine. Aug; 58: 102922.
17. Fu Z. et al., 2022. Antibody drug conjugate: the “biological missile” for targeted cancer therapy. Signal Transduction and Targeted Therapy volume 7:93
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Adjuvant는 백신 항원에 대한 Adaptative immune 반응을 증강하고 조절하는데 필수적입니다. 이러한 반응은 주로 B cells와 T cells이라는 두가지 주요 lymphocyte에 의해 매개됩니다.
B cells은 cytokike에 의해 활성화되면 memory B cells(long-lived antigen-specific B cells)나 plasma cells(대량의 항체를 분비하는 effector B cells)로 분화합니다. 대부분의 항원은 주로 Th1과 Th2 cells인 activated T helper (Th) cells를 사용하여 B cells을 활성화합니다.
Th1 cells은 IFN-γ를 분비하여 Macrophage를 활성화하고 B cells에 의한 옵소닌화 항체 (Opsonizing antibody) 생성을 유도합니다. Th1 반응은 주로 cell-mediated immunity, Cellular reponse를 유도하며 이는 세포 내 병원체 (침습성 박테리아, 원생동물, 바이러스)에 대한 방어를 제공합니다. Th1 반응은 Cytotoxic T lymphocyte (CTL, T cells 하위그룹)을 활성화하여 virus 및 기타 세포 내 병원체에 감염된 세포의 사멸을 유도합니다. 또한, natural killer (NK) cell도 Th1 반응에 의해 활성화되며, 이들은 종양 및 바이러스에 감염된 세포의 apoptosis를 유도하는데 중요한 역할을 합니다.
Th2 cells은 IL-4를 포함한 cytokines을 분비하여 B cells이 중화 항체를 생성하도록 유도합니다. Th2 cells은 일반적으로 체액성 면역을 유도하며, 이는 세포 외 병원체 (기생충, 세포 외 미생물, 독소)에 대한 방어에 중요합니다.
백신에 대한 Th 반응의 크기와 유형은 adjuvants를 통해 크게 조절될 수 있습니다. 약 80년 동안 Aluminium salts (alum)은 인간 백신에서 사용된 유일한 adjuvant이며, 최근 20년 동안 MF59®, AS04와 같은 새로운 adjuvant가 새로운 백신 구성에 도입되었습니다. 면역원성과 adjuvancy (보조제 효과)의 메커니즘에 대한 이해가 깊어짐에 따라 새로운 adjuvant와 그에 대한 조합이 개발되고 있습니다.
Mechanisms of adjuvants
Adjuvant는 다양한 메커니즘을 통해 효과를 발휘할 수 있습니다.
Alum과 emulsion (MF59®)과 같은 일부 adjuvant는 주사 부위에서 항원을 포획하여 지속적으로 방출함으로써 면역 체계를 계속 자극하는 depot효과를 유도합니다. 이러한 adjuvant는 주사 부위에서 항원의 지속성을 높이고 antigen-presenting cells (APCs)의 모집과 활성을 증가시킵니다. Alum과 같은 particulate adjuvant는 항원과 결합하여 multi-molecular aggregate를 형성함으로써 APCs에 의한 섭취를 촉진합니다.
일부 adjuvants는 MHC를 통해 항원 제시를 직접적으로 조절할 수 있습니다.
Pattern recognition receptor (PRR)의 ligand로 작용하는 다른 adjuvants들은 innate ummunity를 유도하며, 주로 APCs를 표적으로 하여 adaptive immune 반응에 영향을 미칩니다. Toll-like receptor (TLR), NOD-like receptor (NLR), RIG-I-like receptor (RLR), C-type lectin receptor (CLR)과 같은 PRR 패밀리의 구성원들은 모두 adjuvant의 잠재적 target이 될 수 있습니다. NLRP3 및 NLRC4와 같은 특정 NLR 패밀리 구성원의 활성화는 IL-1β 및 IL-18과 같은 inflammatory cytokines을 유도하는 단백질 복합체인 inflammasome의 형성을 촉발합니다. NLRP3와 NLRC4 inflammasome은 특정 adjuvants에 의해 유도되는 innate immune과 관련이 있지만, 그 작용 메커니즘은 여전히 연구 중입니다.
Alum & emulsions
Alum은 인간 백신에서 가장 널리 사용되는 adjuvant입니다. 디프테리아-파상풍-백일해, 인간 유두종 바이러스, 간염 백신 등에서 널리 사용됩니다. Alum은 강력한 Th2 반응을 유도하지만 Th1-cell-mediated immunity가 필요한 병원체에 대해서는 효과가 제한적입니다. 이 adjuvant는 depot 효과와 APC 활성화를 통해 면역 반응을 유도하며, NLRP3 inflammasome이 Alum의 면역자극 효과와 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다.
Oil-in-water 또는 water-in-oil 형태의 emulsion (Freund's Incomplete Adjuvant(IFA), MF59® 등)은 depot 효과를 유도하고 MHC 반응을 촉진합니다. IFA는 주로 Th2 편향 반응을 유도하며 일부 Th1 반응도 유발합니다. MF59®은 Th1 (세포성 면역)과 Th2 (체액성 면역) 반응 모두를 강력하게 자극합니다. 그러나 emulsion 기반 adjuvant의 작용 메커니즘은 여전히 명확히 규명되지 않았으며, 자가면역을 유도할 가능성이 단점으로 지적됩니다.
PRR ligands
전통적인 adjuvant는 강력한 Th2 반응을 유도하는 반면, Th1 반응이 필요한 백신 (간염, 독감, 말라리아, HIV)에는 제한적입니다. 이에 따라 강력한 Th1 편향 반응을 유도하는 새로운 adjuvants 개발이 진행 중입니다. PRR 활성화는 pro-inflammatory cytokines/chemokines 및 I IFNs의 생성을 자극하여 숙주가 병원체를 제거하는 능력을 증가시킵니다. 따라서 백신 제형에 Pathogens Associated Molecular Pattern (PAMPs)를 포함하면 백신 특이적 반응의 유도 과정을 개선하고 가속화 할 수 있습니다.
TLR3 and RLR ligands
double-strand RNA (dsRNA)는 대부분의 바이러스 복제 과정에서 생성되며, innate immune의 강력한 유도제입니다. Poly(I:C)와 같은 Synthetic dsRNA는 TLR3 및 RIG-I/MDA-5 pathway를 통해 IL-12 및 type I IFN 생성을 유도하며, 항원을 MHC class II 분자로 교차 제시하여 CTL (cytotoxic T cell)의 생성을 촉진합니다.
TLR4 ligands
Bacterial lipopolysaccharides (LPS)는 TLR4의 ligands로 작용하며 강력한 adjuvant로 알려져 있지만, pyrogenic activity로 인해 임상 사용이 제한되었습니다. 독성이 낮은 변형체인 MPLA (monophosphoryl lipid A)가 개발되었으며, Alum과 함께 AS04로 fomulation되어 강력한 Th1 반응을 유도하며 유럽에서 임상적으로 사용되고 있습니다.
TLR5 ligands
Bacterial flagellin은 강력한 T cell 항원으로, 혼합 형태 또는 항원에 융합된 형태로 adjuvant로 사용됩니다. Th1과 Th2 반응 모두를 유도할 수 있는 특징이 있지만, 재조합 백신 항원에 더 자주 융합됩니다.
TLR7/8 ligands
Single-strand RNA (ssRNA)를 인식하는 TLR7/8 pathway는 유망한 adjuvant 타겟입니다. Imidazoquinoline 계열 화합물 (imiquimod, gardiquimod, R848)은 TLR7/8을 활성화하여 IFN-a와 IL-12를 생성하고 Th1 반응을 촉진합니다.
TLR9 ligands
ODN 1826과 ODN 2006과 같은 CpG 서열을 포함한 oligonucleotide (CpG ODN)은 TLR9에 의해 인식됩니다. 이는 항체 생성을 증가시키고 Th2 반응 대신 Th1 반응을 강하게 유도합니다. TLR 및 interferon gene (STING) 경로를 표적으로 하는 고유한 adjuvant 조합은 STING-dependent nucleic acid sensing pathway를 통해 작용하며, 백신 개발의 유망한 후보로 간주되고 있습니다.
NOD2 ligands
Muramyl dipeptide (MDP)는 세균 세포벽의 단편으로, NOD3 및 NLRP3 inflammasome을 활성화하여 며역 반응을 촉진합니다. 최근에는 TLR7과 NOD2의 이중 작용을 가진 보조제가 전신 및 점막 면역 모두를 유도하는데 효과적임이 밝혀졌습니다.
Conjugatable PRR ligands
Conjugatable PRR ligands는 합성 PAMP로, 화학적으로 수정되어 화학적 연결 고리를 통해 펩타이드/단백질과 결합할 수 있도록 설계되었습니다. 이러한 assemble은 bioconjugate를 생성합니다. 유망한 치료용 bioconjugate로는 Immune-Stimulating Antibody Conjufates (ISACs)와 Antigen-Adjuvant Conjugate (AACs)를 포함합니다. InvivoGen은 dendritic cell 및 antigen presenting cell (APC)에서 발현되는 PRR에 대한 결합 가능한 ligands를 제공합니다. 특히 TLR7 또는 STING을 표적으로 삼는 것은, inflammatory cytokines의 생성을 유도하여 암이나 병원체에 의해 유발된 질병 모델에서 면역 반응을 증폭시키는데 중요한 역할을 한다는 점에서 주목받고 있습니다.
현재 임상적으로 사용되는 adjuvant는 주로 체액성 면역을 강화하지만, 새로운 adjuvant는 다각적인 면역 반응을 유도하는데 중점을 두고 개발되고 있습니다. PRR pathway는 강력한 cell-mediated-immunity를 유도할 수 있는 새로운 백신 adjuvant의 유망한 원천입니다.
References
1. Leroux-Roels G., 2010. Unmet needs in modern vaccinology adjuvants to imporve the immune response. Vaccine. 28S(3):C25-3.
2. Li H. et al., 2008. Cutting edge: Inflammasome activation by alum and alum's adjuvant effect are mediated by NLRP3. J Immunol. 181(1):17-21.
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4. Marrack P. et al., 2009. Towards an understanding of the adjuvant action of aluminium. Nat Rev Immunol. 9(4):287-93.
5. Ott G. et al., 1995. MF59. Design and evaluation of a safe and potent adjuvant for human vaccines. Pharm Biotechnol 6: 277-96.
6. Steinhagen F. et al., 2010. TLR-based immune adjuvants. Vaccine [Epub ahead of print].
7. Pulendran B. et al., 2021, Nature Reviews Drug Discovery volume 20, pages454–475.
8. Coffman R. et al., 2010. Vaccine adjuvants: Putting innate immunity to work. Immunity 33(4):492-503.
9. Reed S.G. et al. 2016, The science of vaccine adjuvants: advances in TLR4 ligand adjuvants. Curr Opin Immunol., Aug;41:85-90.
10. Huleatt J. et al., 2007.Vaccination with recombinant fusion proteins incorporating Toll-like receptor ligands induces rapid cellular and humoral immunity. Vaccine 25(4): 763-75.
11. Mizel S. & Bates JT., 2010. Flagellin as an adjuvant: Cellular mechanisms and potential. J Immunol. 175(10):5677-82.
12. Dowling D., Recent Advances in the Discovery and Delivery of TLR7/8 Agonists as Vaccine Adjuvants, 2018, Immunohorizons, Jul 2;2(6):185-197
13. Kobayashi H. et al., 1999. Immunostimulatory DNA pre-priming: a novel approach for prolonged Th1-biased immunity. Cell Immunol 198(1): 69-75.
14. Temizoz B. et al., Combination and inducible adjuvants targeting nucleic acid sensors. 2018, Curr Opin Pharmacol. Aug;41:104-113
15. Girardin S. et al., 2003. Nod2 is a general sensor of peptidoglycan through muramyl dipeptide (MDP) detection. J Biol Chem. 278(11):8869-72.
16.Gutjahr A. et al. 2020, New chimeric TLR7/NOD2 agonist is a potent adjuvant to induce mucosal immune responses, EBioMedicine. Aug; 58: 102922.
17. Fu Z. et al., 2022. Antibody drug conjugate: the “biological missile” for targeted cancer therapy. Signal Transduction and Targeted Therapy volume 7:93
*MF59®라는 상표는 노바티스의 등록 상표이며, 비교 목적으로만 사용됩니다. AddaVax™는 노바티스에 의해 제작, 제휴, 후원 또는 후원되지 않습니다. 노바티스는 여기에 포함된 표현을 평가하거나 승인하지 않았습니다.