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キトサンでコーティングされた「病原体のような」粘接着性ナノワクチンによるティラピアのカラムナリス病に対する浸漬ワクチン接種の有効性の向上
Enhanced efficacy of immersion vaccination in tilapia against columnaris disease by chitosan-coated "pathogen-like" mucoadhesive nanovaccines.
PMID: 31585248 DOI: 10.1016/j.fsi.2019.09.064.
抄録
レッドティラピア（Oreochromis sp.コラムナリス病の原因菌であるFlavobacterium columnareによる細菌感染は、現在、養殖レッドティラピアの最も深刻な感染症の一つとして同定されており、生産者に大きな経済的ダメージを与えている。有効な予防・防除方法の中でも、ワクチン接種は最も有効なアプローチの一つである。生きた魚の表面は粘液で覆われており、粘膜免疫に直結していることから、我々は、生きた魚の粘膜表面への吸着性を向上させ、より効率的なワクチン効果を得るためには、生きたティラピアの粘膜接着特性を模倣したバイオミメティックナノ粒子を用いることが有効であると考えた。本研究では、ナノ粒子の表面を粘接着性キトサンバイオポリマーでコーティングし、ナノ粒子が魚の粘膜に確実に結合する「病原体のような」特性を提供することで、標的抗原送達への効果的なアプローチを記述しています。ナノワクチンの生理化学的特性を分析し、粘接着特性および病原体に対する免疫応答も評価した。調製したワクチンは、走査型電子顕微鏡（SEM）で確認したように、ナノサイズで球状であった。また、流体力学的直径とゼータ電位の分析から、キトサンで修飾されたナノワクチンの正電荷と全体的な直径の増加が示され、キトサンによるナノワクチンの修飾が成功していることが示唆された。生体内での粘接着性研究では、キトサン修飾ナノワクチンの魚のエラに対する優れた親和性が、生物発光イメージング、蛍光顕微鏡、および分光光度定量測定によって確認されました。調製したナノワクチンを３０分浸漬して接種した後、接種３０日後と６０日後にチャレンジ試験を実施したところ、対照では高い致死率を示した。ワクチンを接種した魚の相対的生存率（RPS）は、粘接着性ナノワクチンで60％以上であった。我々の結果はまた、全細胞ワクチンはカラムナリス感染から魚を保護することができなかったことを示唆しており、これは全細胞細菌が粘膜表面に結合することができないことを示す粘接着性アッセイと一致している。結論として、我々はこのシステムを用いて抗原調製物をティラピアの粘膜に送達することができ、対照と比較して生存率が有意に増加したことから、粘膜表面への粘接着性ナノワクチンの標的化が、浸漬ワクチン接種の有効な方法として利用できることが示唆された。
Red tilapia (Oreochromis sp.) has become one of the most important fish in aquaculture. Bacterial infection caused by Flavobacterium columnare, the causative agent of columnaris disease, has been now identified as one of the most serious infectious diseases in farmed red tilapia and cause major financial damage to the producers. Among the effective prevention and control strategies, vaccination is one of the most effective approach. As the surface of living fish is covered by mucus and directly associated with the mucosal immunity, we therefore hypothesized that better adsorption on mucosal surfaces and more efficient vaccine efficacy could be enhanced biomimetic nanoparticles mimicking the mucoadhesive characteristic of live F. columnare. In this work, we describe an effective approach to targeted antigen delivery by coating the surface of nanoparticles with mucoadhesive chitosan biopolymer to provide "pathogen-like" properties that ensure nanoparticles binding on fish mucosal membrane. The physiochemical properties of nanovaccines were analyzed, and their mucoadhesive characteristics and immune response against pathogens were also evaluated. The prepared vaccines were nano-sized and spherical as confirmed by scanning electron microscope (SEM). The analysis of hydrodynamic diameter and zeta-potential also suggested the successful modification of nanovaccines by chitosan as indicated by positively charged and the overall increased diameter of chitosan-modified nanovaccines. In vivo mucoadhesive study demonstrated the excellent affinity of the chitosan-modified nanovaccines toward fish gills as confirmed by bioluminescence imaging, fluorescent microscopy, and spectrophotometric quantitative measurement. Following vaccination with the prepared nanovaccines by immersion 30 min, the challenge test was then carried out 30 and 60 days post-vaccination and resulted in high mortalities in the control. The relative percent survival (RPS) of vaccinated fish was greater than 60% for mucoadhesive nanovaccine. Our results also suggested that whole-cell vaccines failed to protect fish from columnaris infection, which is consistent with the mucoadhesive assays showing that whole-cell bacteria were unable to bind to mucosal surfaces. In conclusion, we could use this system to deliver antigen preparation to the mucosal membrane of tilapia and obtained a significant increase in survival compared to controls, suggesting that targeting mucoadhesive nanovaccines to the mucosal surface could be exploited as an effective method for immersion vaccination.
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