The effect of nfa1 accination against Naeglearia fowleri infection

Abstract

The pathogenic free-living amoeba, Naegleria fowleri, causes fatal primary amoebic meningoencephalitis in experimental animals and in humans. The nfa1 gene that is cloned from N. fowleri is located on pseudopodia, especially amoebic food-cups and plays an important role in the pathogenesis of N. fowleri. In this study, the retroviral vector (pQCXIN) and the lentiviral vector (pCDH) cloned with the egfp-nfa1 gene was constructed and characterized for nfa1 DNA vaccination in mice. The expression of nfa1 gene in Chinese hamster ovary cell and human primary nasal epithelial cell transfected with the pQCXIN/egfp-nfa1 vector or pCDH/egfp-nfa1 vector was observed by fluorescent microscopy and Western blotting analysis. The viral vector systems effectively delivered the nfa1 gene to the target cells and expressed the Nfa1 protein within the target cells. To evaluate immune responses of nfa1-vaccinated mice, BALB/c mice were intranasally vaccinated with viral particles of each retroviral or lentiviral vector expressing nfa1 gene. DNA vaccination using viral vectors expressing nfa1 significantly stimulated the production of Nfa1-specific IgG subclass, as well as IgG levels. In particular, both levels of IgG2a (Th1) and IgG1 (Th2) were significantly increased in mice vaccinated with viral vectors. The cytokine analysis showed that vaccinated mice elicited stronger IL-4 and IFN-γ production than other control groups, suggesting a Th1/Th2 mixed type immune response. In vaccinated mice, high levels of Nfa1-specific IgG antibody were continued until 12 weeks post-vaccination. The mice vaccinated with viral vector expressing nfa1 gene also exhibited significant higher survival rate (90%) after challenged with N. fowleri trophozoites. The current study shows that the nfa1 vaccination effectively induces protective immunity by humoral and cellular immune response in N. fowleri-infected mice. This is the first report to construct viral vector systems and to evaluate immune responses as DNA vaccination in N. fowleri infection. Furthermore, these results suggest that nfal vaccination may be an effective method for prevention of N. fowleri infection.

자연환경에 널리 분포하는 파울러자유아메바(Naegleria fowleri)는 사람과 실험동물에 치명적인 급성 원발성아메바성수막뇌염(primary amoebic meninigencephalitis)을 일으키는 병원성 원생동물로 알려져 있다. 파울러자유아메바의 cDNA libray로부터 클로닝된 nfa1 유전자는 360bp의 유전자서열과 13.1kDa의 분자량을 갖고 있으며, 아메바의 위족에 분포하고 특히, 식포(food-cup) 형성에 관여함으로써 아메바의 병인 기전 중 하나인 접촉성병인기전에 중요한 유전자로 알려져있다. 본 연구에서는 파울러자유아메바의 감염에 있어서 nfa1 유전자를 이용하여 효과적인 백신을 개발하고자 하였다. 백신에 사용할 레트로바이러스벡터(pQCXIN 벡터)와 렌티바이러스벡터(pCDH벡터)에 egfp-nfa1유전자를 삽입하여 pQCXIN/egfp-nfa1벡터와 pCDH/egfpnfa1벡터를 제조한 후, CHO 세포와 사람의 비강상피세포에 pQCXIN/egfp-nfa1벡터와 pCDH/egfp-nfa1벡터를 PEI로 transfection하여 GFP-nfa1의 발현을 확인하였다. nfa1 유전자가 삽입된 pQCXIN/egfp-nfa1와pCDH/egfpnfa1바이러스입자를 마우스비강으로 면역시킨 후 마우스의 면역반응 및 생존율을 분석하였다. 두 바이러스벡터를 이용한 nfa1 DNA로 면역된 마우스에서 Nfa1-specific IgG 특히, IgG2a 및 IgG1의 생성이 유의하게 증가함을 확인하였고, Nfa1-specific IgG는 면역 후 12주 관찰기간 동안 높은 수치로 유지되었다. 또한, 면역된 마우스로부터 제거된 비장세포에서 Nfa-1단백질항원의 자극에 대한 IL-4와 IFN-γ의 분비가 증가됨을 확인하였다. nfa1 DNA로 면역된 마우스에 파울러자유아메바를 감염시킨 후 마우스의 사망률을 관찰한 결과, 대조군에 비해 생존율이 90%로 증가하였다. 본 연구는 파울러자유아메바감염에 대한 바이러스성 벡터를 이용한 nfa1 vaccination의 최초의 보고로써, 마우스에서 Th1/Th2 mixed type의 면역반응을 유도하여 효과적인 방어면역을 이끌어냄으로써, 파울러자유아메바감염의 예방을 위한 백신의 한 가지 중요한 방법으로 이용될 수 있을것으로 생각된다.