Rolf Zinkernagel (2014) - Why Do We Not Have a Vaccine Against HIV or Tuberculosis?

Analysis of the immune system is fascinating and progressing rapidly. As a field of medical enquiry, it has however, drifted and turned purely academic. This is because interest and appreciation of protective immunity in infectious disease medicine has been overtaken by ‘l’art pour l’art’ of so-called ‘basic immunology’

Ladies and gentlemen it is a pleasure to be here. And to talk to you about why we do not have certain vaccines. Now there is no doubt that vaccines have been probably the most efficacious medical activity that we have succeeded to do so far. And therefore it is of course a natural thing to think if we have a vaccine against pneumonia or measles, we must also be able to make a vaccine against HIV or TB. Now I will try today to explain to you why this equation doesn’t hold. And I do so by questioning certain text book dogmas, because I had to teach immunology for 30 years at a medical school. And while reading these text books I thought, you know, at least half of what we read in text books is wrong. Of course we don’t know which half. So the first question I raise: Is memory, immunological memory responsible for protection? And the answer as you may guess is of course 'no'. And the second is, you know: What is antigenic specificity and why do those agents that we have no vaccine against, all vary basically? And of course that tells you something about the antibody specificity that is needed. And these agents simply escape an otherwise efficient immune response. So the more general conclusion of course is: Is what we measure always what we SHOULD measure? Because usually we measure with a method that gives us the answer we want to see. This may be slightly overstated but I will illustrate some of these aspects. Let’s just set the stage. You know there is no doubt in a co-evolutionary context that we only have to live for 20 or 25 years at most. Because that’s what we need to set up the next generation. And anyway, our biggest problem today on this world is of course that there are too many humans. Now the reason why we have problems in acting rationally is that our human behaviour is very inadequate. In fact I think humans are very basically stupid. And of course we have difficulties to accept that not all humans are equal. But you know otherwise there would not be any co-evolutionary selection. And of course responsibility always collides with freedom of action. And we have enough examples, particularly in application of vaccines that today one of the major problems is that certain population parts actually resist applying vaccines which in a way you know, how stupid can we get? So I think we have to work as a scientific community in educating people in very general terms. With very simple newspapers, to educate and teach them, you know what science is all about. And that actually science, for example vaccines help. Now if you look at the basic problem. And I give you now a very short survey of a minimal sort of immunology. And then try to illustrate what I want to say about specificity and about protection. Now when you look at infections with viruses - but you can extrapolate that to bacteria and classical parasites Some viruses replicate, destroy the host cell, others don’t. In fact many more are noncytopathic than cytopathic. And HIV basically belongs to that category. And you see immediately where the problem lies. If you have an immune response that is very efficient in eliminating or stopping viral replication on this side via antibody, the hematogenic spread, then such a T cell immune response, particularly by CD8 T cells, of course is actually harmful in this context. Because the virus would not kill your cell, it’s the immune response. And this basically we call immunopathology. HIV is a good example, Hepatitis B, Hepatitis C and so on are other examples. Where the immune response simply is causing the problem. Now in physiology these types of viruses jump from one host to the next at a time where the T cell response doesn’t exist. And when is that? Of course either in utero or at birth. Because we are all born without a functioning immune system. And there if the virus carrying mother hands over the virus to the offspring, there is no immunopathology because the recipient has no immunocompetence. So that’s the normal physiology. All these viruses jump at birth point. Now the second very general point I’m going to make here is that if you look at intact viral particles that actually only the tips of these glycoproteins are exposed to the surface and can be addressed by antibodies or B cells. There is simply no room for antibodies to squeeze in between these glycoproteins. And therefore simply the idea of broadly cross-neutralising or cross-protective antibodies simply is an illusion. Because these antibodies can’t get to cover up the intact viral particle, because there is no access for them. Now if you look at, this is my second immunologist slide, at the location of infections and the immunological consequences. Of course normally you think of a virus hitting your mucosa or skin then spreading to the draining lymph nodes. That’s where the first initiation of an immuno-response happens. And this usually has to be quick enough not to have overwhelming hematogenic spread of the virus. Because if the virus gets to your brain you’re dead. And that’s why early IgM responses on day 3 or 4 are so crucial. Now there are 2 alternative extremes. One is papillomavirus, warts virus. They cause a proliferation of epithelial cells. They’re out of the reach of immune cells including Langerhans cells. And therefore this event out there, basically being a benign tumour at the start, is out of the reach of any immune reactivity. Because the draining lymph node doesn’t realise that there is something going on out there. The other extreme situation is where the mother has transfused virus to the offspring via the obligatory blood transfusion at birth. And of course in this case the virus spreads all over, there is no immunocompetence. And therefore the host becomes a viremic patient but has no immunopathology because there is no immune response. And any subsequently developing immune response is simply negatively selected in so-called deletion tolerance. So that’s all for the starter. And we go to evaluate the situation on the vaccine side. If you look at successful vaccines, you know the list is here. They are all mediating their protection via neutralising antibodies. There is not a single exception to that statement. All the ones we don’t have, TB, leprosy, HIV, malaria, etc. There we need both effector T cells and neutralising antibodies. But the left hand side, your right hand side candidate all vary. This is particularly true for HIV or malaria. TB hides away, I get to that. And of course leprosy can be put together with TB. And in a way you could argue your leprosy or your TB granuloma is basically the best vaccine against these types of infections. And the chronic infection that is not killing you in terms of a TB granuloma, actually increases or so-called innate resistance mechanisms to a considerable extent. So there is no doubt that innate resistance - and we have heard, you know from several speakers about it Without interferon Alpha for example you’re dead before the virus looks at you. There is a very interesting observation that chicken eggs, but all bird eggs, are full of maternal antibodies. Which is interesting. The same is true of course for humans and mice, mothers transfuse their immunological experience in the form of antibody to the offspring. Interesting also that autoimmunity, particularly those dependent on autoantibodies, only starts about after 22 and is predominant in females versus males. And this is at least an indication that to produce lots of antibody at high titers may have a cost, and this is the reflection in autoimmune’s susceptibility. Then also tumours of course come up in general terms, solid peripheral tumours come up after 30. So that puts all the problems we cannot solve immunologically easily into the later phase. Because what kills you are childhood infections. And up till 300 years ago our life expectancy would be in the order of 25 to 28 years, for Romans it was 18 years. So that shows you that basically what kills you in an evolutionarily important way is before puberty. So let’s look at specificity. Most of immunology in text books deals with hapten’s so-called small phenolic groups like NP or DNP, dinitrophenol groups. These are very small because they basically contain 6 carbon atoms. But the interaction of a neutralising antibody with the tip of the glycoprotein of course is a much larger interaction, one speculates about 10 to 15 amino acids. And therefore it’s no surprise that the affinity of hapten-specific antibodies is in the order of 10^-5. Whereas affinity of neutralising antibodies is in the order of 10^-10. So 5 orders of the magnitude difference. And since most of immunology deals with these low affinity type of responses it’s not a surprise that basic immunology says the limiting factor to any B cell response is T help. But this is not true because the frequency of these neutralising antibody producing B cells is 10^-6. Whereas the frequency of hapten-specific B cells is 10^-2. So for all biologically relevant protective B cell responses it’s the low frequency of the B cell that is the limiting factor. Now when you look at an acute cytopathic, acutely killing virus. And I just use vesicular stomatitis virus which is a rabies-like virus and in mice behaves like rabies, is neurotropic. You see virus replicates. You have a T cell response. You have an immediate ELISA response that is parallel to the neutralising protective antibody response. For noncytopathic infections, you could take hepatitis B or HIV, you see the discrepancy that you have a T cell response. You have an ELISA response. But your neutralising antibiotic response takes between 40 and 200 days. And the same is true in a model infection in mice with lymphocytic choriomeningitis virus where you have the virus, you have the T cell response, you have the ELISA antibody response - remember at very low avidities and affinities. And the neutralising response takes 60 to 300 days. And what happens in these long slowly developing antibody responses is that while the affinity of the antibodies mature or increase, the virus by mutational escape simply runs ahead of any antibody response. And that is one of the major reasons why we don’t have a vaccine. And this in a way has a correlation to our B cell repertoire. If you take a normal serum, just from an SPF mouse or a normal human being that has not ever been exposed to a particular virus, you find usually a background neutralising titer of 1 in 20 to 1 in 40. Is this really specific or is it just sort of, you know, natural antibody? It is specific because you can cross absorb that titer by distinct stereotypically defined viruses of the same family. Now if you take a virus that does not kill you in 10 days but only kills you in 20 years, then you find there is no measurable natural or spontaneous antibody titer. Which indicates that these viruses start from a completely different repertoire usage. And of course it depends both on the virus and the repertoire whether, where and how quickly they start. So natural antibody represent or reflect the antibody repertoire and this can be illustrated. And these are experiments done by Adrian Ochsenbein in the lab. If you take mice that do not have antibodies, muMT knockouts, and you infect them with this rabies virus, they all die with a very low dose of virus. If however you give back to these mice just half a millilitre of normal mouse serum from an antibody competent mouse, you basically can correct that. And this is a very robust effect because you need now 10^8 or 10^7 viral particle to kill the mouse. So it's 4 logs difference. So natural antibody. You have them. Then you can deal with acute infections. It starts out with 1 in 30 and your protective level is 1 in 900. So it’s basically just increasing your titer by a 30-fold factor. Which is not very much but translates very easily in about the replication cycle of 6 hours of B cells once they get started. And of course the viruses that are noncytopathic can hide wherever they like. In neurons, for example with the herpes viruses, or in epithelial cells in the kidney for CMV. Or for LCMV in lung epithelial cells. And the same for CMV. Therefore there can be peripheral reservoirs that are not clinically apparent and that may well keep the immune response up like the TB granuloma and like the persisting HIV. I summarise at this point: B cells make antibodies. There is a local IgA - I didn’t talk about it but this is very important. On the mucosa there is a very primordial, ancient IgA system that actually is active in these muMT mice. Although they don’t have any serum antibody but they still have that local IgA in the mucosa. We need neutralising or opsonising IgM very early to prevent spread to the brain. The IgG depends on T help, I didn’t show that but that is very clear, it's 100% dependent on T help. And of course the IgG has a much longer half-life, IgM is in serum for about 12 hours, IgG for 20 days half-life. And it’s only the IgG that can be handed down to the offspring via the FC receptor. I don’t get into that. And basically, very interesting, there is almost no negative selection against antibodies. But that’s a different issue. Now for T cells they control and eliminate intracellular parasites of all sorts. Including and particularly important in solid organs. But to get a sufficiently activated T cell response to clear out all virus from your lung or your kidney, you would have to steam up the immune response so tremendously that your fingers probably would fall off because of an interleukin storm. So these things are well balanced and if we try to overdo them we obviously have to pay for that. The T cells are important for the long-lived IgG, but the T cells also cause immunopathology. Now why immunological memory? And is it responsible for protection?. Of course if you survive the first infection there is no need for memory because the system has shown efficient. If you die of the first infection then of course you don’t need memory either. And that is basically the starting point for discussing this issue. You see in text books 'memory' is defined as quicker and higher. So you prime, you come back with the same antigen: It's steeper, quicker and a higher titer. Now immunity as we define it is 'protection against'. And we have these positive, very efficient vaccines and we don’t have these vaccines. So what is the explanation? Well let’s look at a very simple experiment. Hans-Peter Raue did that as a PhD study in the lab. You vaccinate mice with this rabies-like virus. And then you take the so-called memory T+B cells and adoptively transfuse them into a naïve recipient. And then you challenge that recipient, either a few days later or 2 months later, they all die. So whatever memory T cells and memory B cells means, they can’t do the job. However, if you take the serum of this vaccinated mouse 3 months after vaccination and adoptively transfuse that to a recipient: Challenge, they all survive. Now that experiment of course is the experiment we all have survived at birth. Because we have received the immune IgG from our mother. And that covers basically us against all epidemiologically important infections during our first 1 or 2 years. And the mechanisms are actually quite fascinating and reflect this interesting co-evolution in humans or mice. You get FC receptors on the hemochorial side of the placenta. On the foetal side you have FC receptors and they pick up the IgG from the mother. In calves and all ruminants the situation is a bit more complicated but as illustrating, in that the placenta is a double membrane separation between the foetus and the mother. There are no double membrane transport systems for proteins. And therefore these have evolved FC receptors on their gut epithelial cells. And these FC receptors are expressed during the first 24 hours of life after birth. After that the renewal of the epithelial cells is such that the renewal cells don’t express the FC gamma receptor. So that’s why colostrum milk is so important to be given to these offspring because they absorb from the colostrums milk which basically is a dream for Nestlé, you know high concentration of immunoglobulins of both IgG and IgA type. And this actually is then absorbed by the gut epithelial FC. And that replenishes the foetal calf serum. Now that is the reason why we use foetal calf serum in tissue culture. Because foetal calf serum has no immunoglobulin. Because it cannot be transported from the mother to the offspring. And the immune, even the competence and anti-body production of the foetus of the calf is zero. So protection is via neutralising antibody. But of course if the agent is variable by mutation, you have a problem. Increase of memory B cell frequency is antigen-dependent and antigen-driven. But usually these frequencies drop back and end up you know by being 4 or 8 times higher than in an unprimed situation. But the differentiation of a so-called memory B cell to an antibody-producing B cell takes again 3 to 4 days. So even having memory B cells needs re-stimulation which is antigen-dependent. And it’s only the antigen that drives to maturation of an antibody-producing cell. And this re-exposure or antigen-driven or -dependent neutralising antibody titers can come from within. This of course is the case with persisting viruses. And measles is also noted here because measles of course cannot be isolated from immune measles survivors. But you know the disease of subacute sclerosing panencephalitis, which is a central nervous complication of wild type measles infection, and when you look there in these lesions you always find crippled measles virus. The matrix protein is usually mutated. And therefore, SSP is the clinical case but you know down the line to no clinical symptoms, you find decreasing amounts of this crippled persisting in a way vaccine. So it can come from within via antigen antibody complexes on follicular dendritic cells for 1 to 4 years. And then of course from the outside polio, all the diarrhoea viruses and so on are classical examples of that. Now let’s go to the pregnant mother. Let’s say she is genetically AB, the father is CD. So the embryo is AC and the mother could react against the C which she doesn’t effectively because there is no HLA exposure on the surface of the foetus. The mother had to have survived the virus X infections otherwise she probably couldn’t have become pregnant. Because otherwise such an infection would kill her and of course the foetus. Therefore she has anti-X antibodies. Now after birth the offspring will have anti-X antibodies and will immediately be exposed to the epidemiologically you know active infections X. And this eventually will lead to an active immunisation because the maternal antibody slowly will go down because of the half-life of 20 days. And at some point the infection will be very attenuated but still active and you will have active immunisation. If this exposure is delayed for more than 2 or 3 years then of course the first exposure will be a disaster because your maternal acquired protection is gone. And the polio epidemics in the early ‘50’s of course illustrate that very nicely. We formally tested that and could actually show that if maternal antibodies get transferred you need periodic exposure to this infection to actually build up your acquired or active immunisation. If you don’t do that you basically die of the infection. So I can summarise here. Memory is a nice idea. You can publish wonderful papers in Journal of Experimental Medicine. It’s earlier and higher, everybody can repeat that. But it doesn’t explain protection by vaccines or infectious agents. This is always antigen dependent. To keep up the protection you need re-exposure from within, from without, from antibody, antigen complexes. Now I’ve talked about the problem of T cell immunity and the immunopathology in such diseases as HIV, hepatitis B. There is also immunopathology going on for TB. And that’s why the granuloma is such a successful isolation procedure, to isolate the infection in a chronic infectious environment. And it is this granuloma configuration that keeps the antigen you know going on the middle. Without causing open or destructive TB, which of course when your T cell and protective immunity dwindles, be it by HIV and so on, then of course this control is not any longer functioning. Now let me conclude in general. Of course research to find out how things work is what the younger part of this audience is all here. And I think that’s as important and as pleasurable as sports and arts. Hard work, good environment and a good support and, particularly, good luck you know is the foundation. Open critical competition of course helps because the best critic is always from ourselves. Because if we can negate or falsify our own wishes, I think, we are safe from the nasty reviewers. Beliefs of course don’t help. Because I’ve had many good ideas, but ideas are cheap. You have to work to falsify them. And we should never make false promises. So 25 years ago HIV vaccine was promised within 2 or 3 years. We still don’t have it. And I hope I have shown you why. The virus is variable, has to persist, to keep up the antigen-driven protective activation of the T cell response. And of course we cannot imitate that yet - I don’t say it’s impossible. But this apparently has been successfully done by TB. It persists, keeps up the immune response but doesn’t kill you. Only after 60 but we said 22 is good enough. And HIV basically the same. Thanks very much for your attention. Applause.

Sehr geehrte Damen und Herren, es ist mir eine Freude, hier zu sein und in meinem Beitrag darüber zu sprechen, warum es bestimmte Impfstoffe nicht gibt. Es besteht kein Zweifel daran, dass Impfstoffe die wohl wirksamste medizinische Handlungsmöglichkeit repräsentieren, die wir bislang mit Erfolg entwickelt haben. Und von daher ist die Vorstellung nur zu verständlich, wir müssten – wenn es denn schon einen Impfstoff gegen Lungenentzündung und Masern gibt – auch in der Lage sein, einen Impfstoff gegen HIV oder TB herzustellen. Ich möchte Ihnen heute erklären, warum diese Gleichung nicht aufgeht. Und dabei werde ich auch einige Lehrbuchdogmen in Frage stellen, denn seit 30 Jahren lehre ich das Fach Immunologie an einer medizinischen Hochschule. Und als ich all diese Lehrbücher gelesen habe, dachte ich so bei mir, dass mindestens die Hälfte dessen, was dort zu lesen ist, falsch ist. Und natürlich wissen wir nicht, welche Hälfte das ist. Die erste Frage, die ich stellen möchte, lautet: Ist das Gedächtnis, das immunologische Gedächtnis für den immunologischen Schutz verantwortlich? Und die Antwort lautet, wie Sie sich denken können, natürlich: Nein. Und die zweite Frage lautet: Was ist die Antigenspezifität und warum variieren die Erreger, gegen die wir keine Impfstoffe haben, prinzipiell alle? Das sagt natürlich etwas über die erforderliche Antikörperspezifität aus. Diese Erreger entziehen sich ganz einfach einer ansonsten effizienten Immunantwort. Die allgemeinere Schlussfolgerung lautet: Ist das, was wir messen, immer das, was wir messen sollten? Denn üblicherweise messen wir mit einer Methode, die uns die Antwort beschert, die wir erhalten wollen. Das mag vielleicht etwas übertrieben klingen, aber ich werde Ihnen einige solche Aspekte erläutern. Lassen Sie mich den Rahmen abstecken. Sie wissen, dass wir aus der koevolutionären Perspektive nur 20 oder höchstens 25 Jahre leben müssen. Das ist die Zeit, die wir brauchen, um die nächste Generation aufzubauen. Und es ist heutzutage ohnehin unser größtes Problem, dass es zu viele Menschen gibt. Der Grund dafür, dass es uns so schwerfällt vernünftig zu handeln, ist die Tatsache, dass unser menschliches Verhalten inadäquat ist. Tatsächlich halte ich die Menschen in einer sehr grundsätzlichen Weise für dumm. Und natürlich fällt es uns schwer zu akzeptieren, dass nicht alle Menschen gleich sind. Aber Sie wissen auch, dass es ansonsten keine koevolutionäre Selektion gäbe. Und so kollidiert Verantwortung immer auch mit Handlungsfreiheit. Und wir haben, insbesondere in der Anwendung von Impfstoffen, genügend Beispiele dafür, dass heute eines der größten Probleme darin besteht, dass bestimmte Bevölkerungskreise die Anwendung von Impfstoffen ablehnen, was irgendwie … wie dumm können wir denn sein? Deshalb müssen wir als Wissenschaftler unsere Aufgabe auch darin sehen, Menschen in sehr grundsätzlicher Weise aufzuklären. Wir müssen sie mit sehr einfachen Zeitungsartikeln darüber aufklären und ihnen vermitteln, welchen Sinn und Zweck Wissenschaft hat und dass Wissenschaft, beispielsweise in Form von Impfstoffen, tatsächlich hilft. Lassen Sie uns zunächst das grundlegende Problem betrachten. Ich gebe Ihnen hier eine sehr kurze Übersicht über die Immunologie und versuche zu verdeutlichen, was ich zum Thema Spezifität und immunologischer Schutz sagen möchte. Wenn man virusbedingte Infektionen betrachtet dann hat man immer zwei Probleme. Einige Viren vermehren sich, zerstören die Wirtszelle, andere machen das nicht. Tatsächlich haben mehr Viren nichtzytopathische Effekte als zytopathische Effekte. Und HIV gehört grundsätzlich zu dieser Kategorie. Und Sie werden direkt begreifen, wo das Problem liegt. Eine Immunreaktion, die die Virusreplikation, die hämatogene Verbreitung, insbesondere durch CD8-T-Zellen, auf dieser Seite über Antikörper sehr effizient eliminiert oder stoppt, ist in diesem Kontext in Wirklichkeit von Nachteil, weil nicht der Virus die Zelle töten würde, sondern die Immunreaktion. Und das ist in Grundzügen das, was wir als Immunpathologie bezeichnen. HIV ist ein gutes Beispiel dafür, Hepatitis B, Hepatitis C usw. sind weitere Beispiele für Fälle, in denen schlicht und einfach die immunologische Abwehrreaktion das Problem verursacht. In physiologischer Hinsicht wandern diese Arten von Viren, sofern keine T-Zell-Reaktion erfolgt, von einem Wirt zum nächsten. Und wann geschieht das? Natürlich entweder im Mutterleib oder bei der Geburt. Denn wir alle kommen ohne ein funktionierendes Immunsystem auf die Welt. Wenn die virusbefallenen Hände der Mutter den Virus auf den Nachwuchs übertragen, gibt es keine Immunpathologie, weil der Empfänger keine Immunkompetenz besitzt. Das also ist die normale Physiologie. All diese Viren springen zum Geburtszeitpunkt über. Der zweite grundsätzliche Aspekt, auf den ich hier hinweisen möchte, ist der Folgende: Wenn man sich intakte Viruspartikel anschaut, stellt man fest, dass die entscheidenden Determinanten multimere, identische Determinanten sind, mit denen die Oberfläche so dicht bestückt ist, dass in Wirklichkeit nur die Spitzen dieser Glycoproteine der Oberfläche ausgesetzt sind und von Antikörpern oder B-Zellen angegriffen werden können. Antikörper haben einfach keinen Platz, sich zwischen diese Glycoproteine zu quetschen. Und deshalb ist die Idee von kreuzneutralisierenden oder kreuzprotektiven Antikörpern schlicht und einfach eine Illusion, weil diese Antikörper das intakte Viruspartikel nicht abdecken können, denn es gibt für sie keine Zugangsmöglichkeit. Wenn man sich den Ort von Infektionen und die immunologischen Konsequenzen anschaut, denkt man normalerweise an einen Virus, der auf die Schleimhaut oder Haut trifft und sich dann auf die drainierenden Lymphknoten ausbreitet. An dieser Stelle wird die erste Immunreaktion initiiert. Und die muss normalerweise schnell genug erfolgen, damit eine übermannende hämatogene Virusausbreitung verhindert wird. Wenn das Virus erst das Gehirn erreicht, ist man tot. Und deshalb sind frühzeitige IgM-Reaktionen an Tag 3 oder 4 so entscheidend. Es gibt zwei alternative Extreme. Die eine ist das Papillomavirus, Viruswarzen. Sie verursachen eine Proliferation der Epithelzellen und liegen außerhalb der Reichweite von Immunzellen, einschließlich der Langerhans-Zellen. Und deshalb liegt dieses Ereignis, zunächst ein gutartiger Tumor, außerhalb der Reichweite jeder Immunreaktivität. Denn der Lymphknoten realisiert nicht, dass da draußen etwas geschieht. Die andere Extremsituation entsteht, wenn die Mutter über die obligatorische Bluttransfusion bei der Geburt einen Virus auf den Nachwuchs übertragen hat. Der Virus breitet sich dann natürlich schnell aus, weil keine Immunkompetenz vorhanden ist. Der Wirt wird deshalb zu einem virämischen Patienten, aber ohne Immunpathologie, weil es keine Immunreaktion gibt. Und später wird die Entwicklung einer Immunreaktion in der so bezeichneten Deletionstoleranz einfach negativ selektioniert. Soweit zu Beginn. Und dann betrachten wir die Situation auf der Impfstoff-Seite. Erfolgreiche Impfstoffe, hier eine Liste, vermitteln ihren Schutz allesamt über neutralisierende Antikörper. Es gibt keine einzige Ausnahme zu dieser Aussage. Für alle Infektionen, für die wir keine Impfstoffe haben, TB, Lepra, HIV, Malaria usw., brauchen wir T-Zellen und neutralisierende Antikörper. Aber die linken, für Sie die rechten Kandidaten, verändern sich alle. Das gilt insbesondere für HIV oder Malaria. TB versteckt sich, dazu komme ich noch. Und Lepra kann natürlich mit TB zusammen genannt werden. In gewisser Weise könnte man behaupten, dass die Lepra- und TB-Granulome grundsätzlich die besten Impfstoffe gegen diese Art von Infektionen sind. Und die chronische Infektion, die einen im Sinne eines TB-Granuloms nicht umbringt, stärkt tatsächlich die so genannten angeborenen Resistenzmechanismen in erheblichem Maße. Es besteht also kein Zweifel, dass die angeborene Resistenz für mehr als 95% der Resistenzreaktionen verantwortlich ist. Ohne das Interferon Alpha ist man beispielsweise schon tot, bevor einen der Virus auch nur angeguckt hat. Interessanterweise hat man festgestellt, dass Hühnereier, alle Vogeleier, voller maternaler Antikörper sind. Das ist interessant. Das Gleiche gilt natürlich für Menschen und Mäuse. Die Mütter übertragen ihre immunologischen Erfahrungen in der Form von Antikörpern auf den Nachwuchs. Interessant ist auch, dass die Autoimmunität, insbesondere die von Autoantikörpern abhängigen Formen, erst nach dem 22. Lebensjahr beginnt und bei Frauen wesentlich häufiger auftritt als bei Männern. Und das ist zumindest ein Hinweis darauf, dass eine starke Antikörperbildung mit hohen Titern einen Preis haben könnte, nämlich den einer Anfälligkeit für Autoimmunkrankheiten. Dann tauchen natürlich auch grundsätzlich ab dem 30. Lebensjahr die Tumoren auf, solide periphere Tumoren. Und das verschiebt all die Probleme, die wir nicht einfach immunologisch lösen können, auf die spätere Phase. Denn was uns tötet, sind Infektionen in der Kindheit. Bis vor ungefähr 300 Jahren lag unsere Lebenserwartung bei ungefähr 25 bis 28 Jahren, bei den Römern waren es 18 Jahre. Das zeigt, dass alles, was uns in einer entwicklungsmäßig bedeutsamen Weise tötet, grundsätzlich vor der Pubertät liegt. Lassen Sie uns nun die Spezifität betrachten. Ein Großteil der Lehrbuch-Immunologie beschäftigt sich mit Haptenen, so genannten kleinen Phenolgruppen wie NP oder DNP, Dinitrophenol-Gruppen. Die sind sehr klein, weil sie grundsätzlich sechs Kohlenstoffatome enthalten. Aber die Interaktion eines neutralisierenden Antikörpers mit der Spitze des Glycoproteins ist natürlich eine wesentlich größere Interaktion. Man vermutet rund 10 bis 15 Aminosäuren. Und deshalb überrascht es nicht, dass die Affinität von hapten-spezifischen Antikörpern in einer Größenordnung von 10^-5 liegt, während sich die Affinität von neutralisierenden Antikörpern in einer Größenordnung von 10^-10 bewegt. Also eine Differenz um fünf Größenordnungen. Und da ein Großteil der Immunologie mit diesen niederaffinen Reaktionsarten zu tun hat, erstaunt es nicht, dass die grundlegende Immunologie sagt, der begrenzende Faktor einer B-Zellen-Reaktion sei die T-Zellen-Hilfe. Aber das stimmt nicht, weil die Frequenz dieser neutralisierenden, Antikörper produzierenden B-Zellen 10^-6 ist, während die Frequenz von hapten-spezifischen B-Zellen bei 10^-2 liegt. Die geringe Frequenz der B-Zelle ist also der begrenzende Faktor für alle biologisch relevanten, schützenden B-Zellen-Reaktionen. Betrachten wir nun einen akuten, zyopathischen, äußerst tödlichen Virus. Ich nehme den vesikulären Stomatitis-Virus, einen tollwutartigen Erreger, der sich in Mäusen wie Tollwut verhält. Er ist neurotrop. Sie sehen hier die Virusvermehrung. Die Antwort ist eine T-Zellen-Reaktion. Und es erfolgt eine sofortige ELISA-Reaktion, die parallel zur neutralisierenden, schützenden Antikörperreaktion abläuft. Für nichtzytopathische Infektionen – etwa Hepatitis B oder HIV – sehen wir die Diskrepanz, dass es eine T-Zellen-Reaktion gibt und es gibt eine ELISA-Reaktion. Aber die neutralisierende Antibiotika-Reaktion benötigt 40 bis 200 Tage. Und das Gleiche gilt für eine Modellinfektion bei Mäusen mit dem Virus der lymphozytären Choriomeningitis. Da hat man den Virus, die T-Zellen-Reaktion, die ELISA-Antikörperreaktion – Sie erinnern sich, mit sehr geringen Aviditäten und Affinitäten. Und die neutralisierende Reaktion braucht 60 bis 300 Tage. Und in diesen langwierigen, sich langsam entwickelnden Antikörperreaktionen geschieht das Folgende: Während sich die Affinität der Antikörper entwickelt und zunimmt, eilt der Virus einfach jeder Antikörperreaktion durch Fluchtmutation voraus. Und das ist einer der Hauptgründe dafür, dass wir keinen Impfstoff haben. Und in gewisser Hinsicht besteht hier ein Zusammenhang zu unserem B-Zellen-Repertoire. Nimmt man ein normales Serum, beispielsweise von einer spezifisch pathogenfreien (SPF) Maus oder einem normalen Menschen, die/der noch nie einem speziellen Virus ausgesetzt war, findet man normalerweise einen hintergrundneutralisierenden Titer von 1/20 oder 1/40. Ist das tatsächlich spezifisch oder ist das einfach so etwas wie ein natürlicher Antikörper? Es ist spezifisch, weil man diesen Titer mit deutlich stereotyp definierten Viren der gleichen Familie kreuzabsorbieren kann. Wenn man einen Virus nimmt, an dem man nicht innerhalb von zehn Tagen, sondern allenfalls innerhalb von 20 Jahren stirbt, so stellt man fest, dass kein messbarer natürlicher oder spontaner Antikörper-Titer zu messen ist. Offensichtlich starten diese Viren bei einem völlig anderen Repertoireverbrauch. Und natürlich hängt es sowohl vom Virus als auch vom Repertoire ab, ob, wo und wie sie starten. Natürliche Antikörper repräsentieren oder reflektieren also das Antikörper-Repertoire und das kann man darstellen. Das hier sind Experimente, die Adrian Ochsenbein im Labor durchgeführt hat. Infiziert man Mäuse ohne Antikörper, mit muMT-Knockouts, mit diesem Tollwuterreger, sterben sie alle bei einer sehr geringen Virusdosis. Verabreicht man allerdings diesen Mäusen gerade einmal einen halben Milliliter eines normalen Mausserums einer antikörperkompetenten Maus, lässt sich das grundlegend korrigieren. Und das hat einen sehr robusten Effekt. Man braucht jetzt 10^8 oder 10^7 virale Partikel, um die Maus zu töten, ein Unterschied also von vier Logstufen. Mit natürlichen Antikörpern kann man also akute Infektionen bekämpfen. Es beginnt bei 1/30 und die Schutzfunktion ist dann 1/900. Im Prinzip erhöht das also den Titer um das 30-fache. Das ist zwar nicht sehr viel, lässt sich aber sehr einfach in einen Replikationszyklus für die B-Zellen von etwa sechs Stunden übersetzen, wenn sie erst einmal initiiert wurden. Natürlich können sich die Viren, die nichtzytopathisch sind, verstecken, wo sie wollen. In Neuronen, beispielsweise bei den Herpesviren, oder in Epithelzellen in der Niere beim Cytomegalie-Virus (CMV). Oder beim lymphozytären Choriomeningitis-Virus (LCMV) in den Epithelzellen der Lunge. Und das gleiche gilt für CMV. Es können also periphere Reservoirs bestehen, die klinisch nicht in Erscheinung treten und die Immunreaktion aufrechterhalten, etwa im Fall des tuberkulösen Granuloms oder der persistenten HIV-Infektion. An diesem Punkt fasse ich zusammen: B-Lymphozyten bilden Antikörper. Es gibt lokales IgA – darüber habe ich noch nicht gesprochen, aber das ist sehr wichtig. Auf der Schleimhaut gibt es ein sehr ursprüngliches, altes IgA-System, das bei diesen muMT-Mäusen aktiv ist. Obwohl sie überhaupt keine Serumantikörper besitzen, haben sie dennoch lokales IgA in der Schleimhaut. Wir müssen das IgM sehr früh neutralisieren oder opsonieren, um eine Ausbreitung auf das Gehirn zu verhindern. Das IgG ist von der T-Zellen-Hilfe abhängig. Ich bin nicht näher darauf eingegangen, aber das ist klar, es ist auf T-Zellen-Hilfe angewiesen. Und das IgG hat eine wesentlich längere Halbwertzeit. IgM bleibt rund zwölf Stunden im Blut. Das IgG hat eine Halbwertzeit von 20 Tagen. Und nur das IgG kann über den Fc-Rezeptor an den Nachwuchs weitergegeben werden. Ich kann das hier nicht vertiefen. Und, was äußerst interessant ist: Es gibt fast keine negative Selektion bezüglich von Antikörpern. Aber das ist ein anderes Thema. T-Zellen steuern und eliminieren intrazelluläre Parasiten aller Art, insbesondere und besonders wichtig in festen Organen. Aber will man eine ausreichend aktive T-Zellen-Reaktion erreichen, die alle Viren aus Lunge oder Niere entfernt, müsste man die Immunreaktion so enorm anheizen, dass einem aufgrund des Interleukin-Ansturms wahrscheinlich die Finger abfallen würden. Diese Abläufe sind also perfekt ausbalanciert. Wenn wir sie überstrapazieren, bezahlen wir offensichtlich einen Preis dafür. Die T-Zellen sind wichtig für das langlebige IgG, aber T-Zellen verursachen auch Immunpathologie. Nun, warum immunologisches Gedächtnis? Ist es für den Schutz zuständig? Überlebt man die erste Infektion, ist kein Gedächtnis erforderlich, weil das System seine Effizienz bewiesen hat. Stirbt man, braucht man das immunologische Gedächtnis natürlich auch nicht mehr. Und genau das ist der Ausgangspunkt für die Erörterung dieses Themas. Wissen Sie, in Lehrbüchern wird ‚Gedächtnis’ als schneller und besser definiert. Also der Start, dann erneut dasselbe Antigen: Das verläuft steiler, schneller und hat einen höheren Titer. Immunität, wie wir sie definieren, ist ein ‚Schutz gegen’. Und wir haben positive, sehr wirksame Impfstoffe und wir haben solche Impfstoffe nicht. Wie ist das erklärbar? Betrachten wir einmal ein einfaches Experiment. Hans-Peter Raué hat das für seine Dissertation im Labor durchgeführt. Man impft Mäuse mit diesem tollwutartigen Erreger. Und dann nimmt man die so genannten T+B-Gedächtniszellen und überträgt sie adoptiv auf einen bisher unbehandelten Empfänger. Und dann kontrolliert man diesen Empfänger, entweder einige Tage später oder nach zwei Monaten. Sie sterben alle. Was auch immer T-Gedächtniszellen und B-Gedächtniszellen bedeuten, sie können ihre Aufgabe nicht erfüllen. Wenn man allerdings das Blut dieser geimpften Maus drei Monate nach der Impfung nimmt und adoptiv auf einen Empfänger überträgt, überleben sie alle. Das ist ein Experiment, das wir alle bei der Geburt überlebt haben, weil wir das Immun-IgG von unserer Mutter erhalten haben. Und das schützt uns in unserem ersten oder in unseren ersten beiden Lebensjahren grundsätzlich vor allen epidemiologisch relevanten Infektionen. Diese Mechanismen sind wirklich ziemlich faszinierend und zeigen die interessante Koevolution von Menschen und Mäusen. Man hat Fc-Rezeptoren auf der hämochorialen Seite der Plazenta. Auf der fötalen Seite gibt es Fc-Rezeptoren und die nehmen das IgG von der Mutter auf. Bei Kälbern und allen Wiederkäuern ist die Situation etwas komplizierter, aber genauso gut zu verdeutlichen: Die Plazenta bildet eine Doppelmembrantrennung zwischen Fötus und Mutter. Es gibt keine Doppelmembran-Transportsysteme für Proteine. Und deshalb haben sie Fc-Rezeptoren auf ihren Darmepithelzellen ausgebildet. Und diese Fc-Rezeptoren werden in den ersten 24 Stunden nach der Geburt exprimiert. Danach erfolgt die Zellerneuerung so, dass die erneuerten Zellen keinen Fc-Gammarezeptor exprimieren. Darum ist es so wichtig, diesem Nachwuchs Kolostralmilch zu geben, weil sie aus der Kolostralmilch das absorbieren, was für Nestlé im Wesentlichen ein Traum bleibt, nämlich eine hohe Konzentration von Immunglobulinen sowohl des Typs IgG als auch des Typs IgA. Und die wird dann von den Darmepithelzellen-Fc absorbiert. Und dadurch wird das fetale Kälberserum angereichert. Das ist der Grund dafür, dass wir fetales Kälberserum in Gewebekulturen verwenden. Denn fetales Kälberserum hat kein Immunglobulin, weil das nicht von der Mutter auf den Nachwuchs übertragen werden kann. Und die Immunkompetenz und die Antikörperproduktion eines Kälberfötus sind gleich null. Der Schutz erfolgt also über neutralisierende Antikörper. Wenn der Erreger aber variabel ist und mutiert, hat man ein Problem. Die Erhöhung der B-Gedächtniszell-Frequenz ist antigenabhängig und antigengesteuert. Aber diese Frequenzen fallen normalerweise zurück und landen schließlich bei vier oder acht Mal so hoch wie in der ungeprimten Situation. Aber die Differenzierung einer so genannten B-Gedächtniszelle zu einer antikörper-produzierenden B-Zelle nimmt erneut drei bis vier Tage in Anspruch. Also selbst bei Vorhandensein von B-Gedächtniszellen ist eine antigenabhängige Restimulierung erforderlich. Und nur das Antigen treibt den Reifungsprozess einer antikörper-produzierenden Zelle voran. Und diese Reexposition oder antigen-gesteuerte oder antigen-abhängige neutralisierende Antikörper-Titer können von innen kommen. Das ist bei persistierenden Viren der Fall. Und Masern werden hier auch genannt, weil sich Masern nicht aus immunen Masernüberlebenden isolieren lassen. Aber Sie kennen vielleicht die subakute sklerosierende Panenzephalitis (SSPE), eine das zentrale Nervensystem betreffende Komplikation der Wildtypmaserninfektion. Wenn man diese Läsionen untersucht, findet man immer lahm gelegte Masernviren. Normalerweise ist das Matrixprotein mutiert. Und deshalb ist SSP der klinische Fall, aber auf der ganzen Linie hinunter bis zu den nichtklinischen Symptomen findet man abnehmende Mengen dieses lahm gelegten, irgendwie persistenten Impfstoffes. Das kann also ein bis vier Jahre lang über Antigen-Antikörper-Komplexe auf follikulären dendritischen Zellen von innen kommen. Und dann sind natürlich auch aus dem externen Portfolio die gesamten durchfallerregenden Viren klassische Beispiele dafür. Und nun zur schwangeren Mutter. Gehen wir einmal davon aus, sie ist genetisch AB, der Vater ist CD. Der Embryo ist AC und die Mutter könnte auf das C reagieren, was aber in Wirklichkeit nicht der Fall ist, weil es keine HLA-Exposition auf der Oberfläche des Fötus gibt. Die Mutter muss die Virus-X-Infektionen überlebt haben, weil sie ansonsten nicht hätte schwanger werden können. Ansonsten würde eine solche Infektion nämlich sie und natürlich den Fötus töten. Deshalb hat sie Anti-X-Antikörper. Nach der Geburt hat der Nachwuchs Anti-X-Antikörper und wird sofort der epidemiologisch aktiven Infektion X ausgesetzt. Und das führt schließlich zu einer aktiven Immunisierung, weil die mütterlichen Antikörper aufgrund der Halbwertzeit von 20 Tagen langsam zurückgehen. Und irgendwann ist die Infektion stark gedämpft, aber noch aktiv und eine aktive Immunisierung gegeben. Wenn sich diese Exposition aber um mehr als zwei oder drei Jahre verzögert, ist die erste Exposition natürlich eine Katastrophe, weil der mütterlich erworbene Antikörper verschwunden ist. Dies hat die in den frühen 50er-Jahren aufgetretene Polioepidemie sehr gut verdeutlicht. Wir haben das formal getestet und konnten tatsächlich nachweisen, dass bei einer Übertragung von mütterlichen Antikörpern eine periodische Exposition gegenüber dieser Infektion erforderlich ist, um die erworbene oder aktive Immunisierung tatsächlich aufzubauen. Wenn das nicht geschieht, stirbt man an der Infektion. Ich kann also hier zusammenfassen: Das Gedächtnis ist ein nettes Konzept. Dazu kann man im Journal of Experimental Medicine wunderbare Artikel veröffentlichen. Das ist früher und höher, jeder kann das wiederholen. Aber es erklärt nicht den Schutz durch Impfstoffe oder infektiöse Erreger. Der ist immer antigen-abhängig. Um den Schutz aufrecht zu erhalten, braucht man eine erneute Exposition von innen, von außen, von Antikörper-Antigen-Komplexen. Ich habe über das Problem der T-Zell-Immunität und die Immunpathologie bei Krankheiten wie HIV und Hepatitis B berichtet. Es gibt auch die Immunpathologie bei TB. Und deshalb ist das Granulom ein so erfolgreiches Isolierungsverfahren, das die Infektion in einer chronischen Infektion isoliert. Und es ist diese Granulomkonfiguration, die das Antigen in Schach hält, ohne eine offene oder destruktive TB zu verursachen. Allerdings funktioniert diese Kontrolle nicht mehr, wenn die T-Zelle und die schützende Immunität, sei es durch HIV oder ähnliches, dahinschwindet. Ich möchte einige allgemeine Schlussfolgerungen ziehen. Dem jüngeren Teil des Publikums hier geht es darum, Forschung zu betreiben, um herauszufinden, wie die Dinge funktionieren. Und das ist, glaube ich, genauso wichtig und vergnüglich wie Sport und Kunst. Harte Arbeit, ein angenehmes Umfeld und gute Unterstützung und insbesondere Glück sind die beste Grundlage. Ein offener, kritischer Wettbewerb trägt natürlich ebenfalls dazu bei, weil die beste Kritik immer die von uns selbst ist. Denn, wenn wir unsere eigenen Wünsche negieren oder widerlegen können, sind wir wohl vor den üblen Kritikern sicher. Überzeugungen allein helfen natürlich auch nicht. Ich hatte viele gute Ideen, aber Ideen sind billig. Man muss daran arbeiten, sie zu falsifizieren. Und wir sollten nie falsche Versprechen abgeben. Vor 25 Jahren wurde ein HIV-Impfstoff innerhalb von zwei oder drei Jahren versprochen. Es gibt ihn bis heute nicht. Ich hoffe, ich konnte Ihnen aufzeigen, warum das so ist. Das Virus ist variabel, muss weiter existieren, um die antigen-gesteuerte, schützende Aktivierung der T-Zell-Reaktion aufrechtzuerhalten. Und natürlich können wir das bisher nicht nachmachen. Ich sage aber nicht, dass das unmöglich ist. Bei TB ist das offensichtlich erfolgreich gelungen. Sie besteht weiter, erhält die Immunantwort aufrecht, tötet uns aber nicht. Erst nach 60, aber wir sagten ja, 22 Jahre sind genug. Und für HIV gilt grundsätzlich das Gleiche. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Applaus.

Rolf Zinkernagel (2014)

Why Do We Not Have a Vaccine Against HIV or Tuberculosis?

Rolf Zinkernagel (2014)

Why Do We Not Have a Vaccine Against HIV or Tuberculosis?

Abstract

Analysis of the immune system is fascinating and progressing rapidly. As a field of medical enquiry, it has however, drifted and turned purely academic. This is because interest and appreciation of protective immunity in infectious disease medicine has been overtaken by ‘l’art pour l’art’ of so-called ‘basic immunology’. This development deprives much of immunological sciences of the biological basis and understanding that is linked to co-evolution of infectious agents and hosts’ protective immunity. It is this co-evolutionary context that renders this field so different from studying yeast, bacteria, fibroblasts, lymphocytes or neuronal cells in splendid isolation in in vitro model situations, where everything is possible (and permitted or mistakes forgiven without repercussions) because the co-evolutionary context is ignored.

I shall explain why we have excellent vaccines against acutely lethal (childhood) infections but not against most slow, chronic persistent infections or tumors, which usually kill us late i.e. after reproduction. Another conclusion is that so-called ‘immunological memory’ of course exists, but only in particular experimental laboratory models measuring ‘quicker and better’ responses, which often do correlate with, but are not the key, mechanisms of protection. Protection depends on pre-existing neutralizing antibodies or pre-activated T cells at the time of infection. This is well documented by the importance of maternal antibodies at birth for survival of offspring. Importantly, both high levels of antibodies in mothers are driven by antigen reencounter. This of course has serious implications for our thinking about old, and hopes for new, vaccines.

Further readings:

1. Zinkernagel RM, Ehl S, Aichele P, Oehen S, Kundig T and Hengartner H (1997) Antigen localisation regulates immune responses in a dose- and time-dependent fashion: a geographical view of immune reactivity. Immunol Rev 156:199-209
2. Zinkernagel RM (2001) Maternal antibodies, childhood infections, and autoimmune diseases. N Engl J Med 345:1331-1335
3. Zinkernagel RM and Hengartner H (2004) On immunity against infections and vaccines: credo 2004. Scand J Immunol 60:9-13

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