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Zum virologischen Nachweis einer akuten Influenza und zur Überprüfung des Immunstatus steht eine Vielzahl von Untersuchungsmethoden zur Verfügung. Bei Verdacht auf eine Influenzavirusinfektion liefert der Rachenabstrich das geeignete Untersuchungsmaterial. Das tiefe Nasopharynxaspirat ist etwas sensitiver, Sputum etwas weniger ergiebig. Die RT-PCR ermöglicht in 1–2 h nach Materialeingang ein sensitives und spezifisches Ergebnis. Typen, Subtypen und Driftvarianten lassen sich durch geeignete Primersonden, die kommerziell zur Verfügung stehen, einwandfrei identifizieren. Demgegenüber ist die Zellkultur-gestützte Virusisolierung zeitaufwendiger und stärker abhängig von einer sachgerechten Materialgewinnung und –überbringung (Kühlkette). PCR und Virusanzüchtung ermöglichen die geno- bzw. phänotypische Testung auf Therapieresistenzen. Der Antigentest ist eine einfache (bed-side) Schnellmethode. Seine Spezifität ist gut, die Sensitivität limitiert; daher kann der Antigentest nicht zur individuellen Ausschlussdiagnose eingesetzt werden. Influenzavirusspezifische Antikörper erscheinen im Blut erst in der zweiten Krankheitswoche. Die Serodiagnostik erfolgt typenspezifisch mit Komplementbindungsreaktion (KBR), IFT und ELISA über eine signifikante Titerbewegung oder den Nachweis von IgA-Antikörpern. IgG-spezifische IFT und ELISA Methoden geben Auskunft über die Influenzavirus-typspezifische Durchseuchung. Die klinisch relevantere subtypen- und variantenspezifische Influenzavirusimmunität wird mit dem HHT oder NT gemessen.
Influenza is a contagious respiratory disease caused by influenza A and influenza B viruses. The World Health Organisation (WHO) reports that annual influenza epidemics result in approximately 1 billion infections, 3 to 5 million severe cases, and 300 to 650 thousand deaths. Understanding hidden mechanisms that lead to optimal vaccine efficacy and improvement antiviral treatment strategies remain continuous and central tasks. First, regarding the immune response to vaccines and natural infections, the antibody response echoes the dynamics of diverse immune elements such as B-cells, and plasma cells. Also, responses reflect the processes for B-cells to gain and adapt affinity for the virus. Antibodies (Abs) that respond to the virus surface proteins, particularly to the hemagglutinin (HA), have been identified to protect against infection. The Abs responses binding to HA can be broadly protective as this protein is considerably accessible on the virion. When following sequential infections with similar influenza strains, i.e. two infections with different strains of a subtype, an enhanced breadth and magnitude of Abs response is developed, mainly after the second infection. The effect of being effective to new strains is called Abs cross-reaction.
On the other hand, as for antiviral treatment, the WHO currently approves the use of neuraminidase inhibitors (NIs) such as zanamivir and oseltamivir. Diverse research areas such as system biology, learning-based methods, control theory, and systems pharmacology have guided the development of modern treatment schemes. To do so, mathematical models are used to describe a wide range of phenomena such as viral pathogenesis, immune responses, and the drug's dynamics in the body. Drug dynamics are usually expressed in two phases, pharmacokinetics (PK) and pharmacodynamics (PD) - the PK/PD approach. These schemes leverage pre-clinical and clinical data through modeling and simulation of infection and drug effects at diverse levels. Under such a framework, control-based scheduling systems seek to tailor optimal antiviral treatment for infectious diseases. Thus, influenza treatment can be theoretically studied as a control-based optimization duty (about systems stability, bounded inputs, and optimality). Finally, towards real-world implementation, learning-based methods such as neural networks (NNs) can guide solving issues on the control-based performance. Using NNs as identifiers provide a setting to deal with infrequent measures and uncertain parameters for the control systems.
This thesis theoretically explores central mechanisms in influenza infection via modeling and control approaches. In the first project, we explore how and to what extent antibody-antigen affinity flexibility could guide the Abs cross-reaction in two sequential infections using a hypothetical family of antigens. The set of antigens generally represent strains of influenza, such as those of a subtype. Each antigen is composed of a variable and a conserved area, generically representing the structures of the HA, head, and stalk, respectively. We test diverse scenarios of affinity thresholds in the conserved and variable areas of the antigens. The Abs response reaches a high magnitude when using equivalent affinity thresholds in the conserved and variable areas during the first infection. However, improved cross-reaction is developed when slightly increasing the affinity threshold of the variable area for the second infection. Key mutations via affinity maturation is a feature that, together with affinity flexibility between infections, guides Abs cross-reaction in the model outcome. These results could correlate with studies pointing out that broad responses might be dependent on reaching specific mutations for getting affinity to a newly presented antigen while broadly reaching related antigens. The general platform may serve as a proof-of-concept for exploring fundamental mechanisms that favor the Abs cross-reaction.
In a second project, theoretical schemes are developed to combine impulsive and inverse optimal control strategies to address antiviral treatment scheduling. We present results regarding stability, passivity, bounded inputs, and optimality using impulsive action. The study is founded on mathematical models of the influenza virus (target-cell limited model) adjusted to data from clinical trials. In these studies, participants were experimentally infected with influenza H1N1 and treated with NIs. Results show that control-based strategies could tailor dosage and reduce the amount of medication by up to 44%. Also, control-based treatment reaches the efficacy (98%) of the current treatment recommendations by the WHO. Monte Carlo simulations (MCS) disclose the robustness of the proposed control-based techniques. Using MCS, we also explore the applicability to the individualized treatment of infectious diseases through virtual clinical trials. Furthermore, bounded control strategies are applied directly in drug dose estimation accounting for overdose prevention. Finally, due to the limitations of the available technology intended for clinical practice, we emphasize the necessity of developing system identifiers and observers for real-world applications.
In the third project, the problem of data scarcity and infrequent measures in the real world is handled by means of learning-based methods. System identification is derived using a Recurrent High Order Neural Network (RHONN) trained with the Extended Kalman filter (EKF). Lessons learned from impulsive control frameworks are taken to develop a neural inverse optimal impulsive control --neurocontrol. The treatment efficacy is tested for early (one day post-infection) and late (2 to 3 days post-infection) treatment initiation. The neurocontrol reaches an efficacy of up to 95% while saving almost 40% of the total drug in the early treatment. Robustness is tested via virtual clinical trials using MCS.
Lastly, taking all together, the schemes developed in this thesis for modeling the Abs cross-reaction and control-based treatment tailoring can be extended and adapted to explore similar phenomena in different respiratory pathogens, such as SARS-CoV-2.
Entwicklung von Immunisierungsstrategien zur Induktion hoher funktionaler Antikörperantworten
(2018)
Neuartige Viren und Erreger, die sich antigenetisch tiefgreifend von bekannten Varianten unterscheiden, können verheerende Epidemien auslösen, da weder gegen diese Erreger eine Immunität in der Bevölkerung besteht, noch prophylaktische oder therapeutische Maßnahmen verfügbar sind. Eine prophylaktisch vermittelte Immunität durch Impfung stellt die bei Weitem effektivste Methode zur Vorbeugung viraler Infektionen dar, jedoch sind die Entwicklungs- und Herstellungszeiten eines neuen Impfstoffs in der Regel mit der Ausbruchsdynamik nicht kompatibel. Inzwischen steht zwar eine überschaubare Anzahl antiviraler Medikamente zur Verfügung, doch ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass diese meist hoch spezifischen Wirkstoffe gegen neu auftretende Viren aktiv sind. Das beispiellose Ausmaß der Ebola-Epidemie 2014 führte zum Einsatz experimenteller antikörperbasierter Therapien, welche das Potential der passiven Vermittlung von temporärem Immunschutz naiver Personen verdeutlicht. Für viele neuartige Viren ist die Entwicklung von Therapieansätzen allerdings noch nicht entsprechend weit fortgeschritten. Zudem bedingt eine Verwendung des eigentlichen Erregers oft hohe Sicherheitsmaßnahmen, was die Arbeit erschwert. Aus diesem Grund werden Notfalltherapien benötigt, die schnell in klinisch relevanter Qualität und Quantität unter niedrigen biologischen Sicherheitsmaßnahmen produziert werden können.
Diese Arbeit basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Induktion von hohen Titern funktioneller Antikörperantworten die Basis für einen breiteren Schutz gegen antigenetisch entferntere Virusstämme sowie für die schnelle Produktion von therapeutischen Antiseren darstellt.
Um diese Hypothese zu testen und Einblicke in verschiedene Aspekte dieses Prozesses zu bekommen, wurde zunächst die Nutzung von Adjuvanzien als Zusätze für Impfstoffe am Beispiel des pandemischen A(H1N1)pdm09-Impfstoffs untersucht. Neben den alljährlichen Epidemien, die von saisonalen Influenza-A-Viren der Subtypen H1N1 oder H2N3 verursacht werden, können neuartige Subtypen zu weltweiten Pandemien führen. Während die saisonalen Influenza-Impfstoffe in der Regel keine Adjuvanzien enthalten, wurden einige pandemische H1N1-Impfstoffe aus 2009 mit einem reduzierten Antigengehalt formuliert und mit squalenbasierten Adjuvanzien kombiniert, um eine ausreichende Wirksamkeit bei größerer Verfügbarkeit zu gewährleisten. Zur Charakterisierung des Effekts dieser Adjuvanzien auf die Immunantworten wurden Frettchen mit 2 µg des kommerziellen H1N1pmd09-Impfstoffes alleine sowie in Kombination mit verschiedenen Adjuvanzien immunisiert, die Antikörpertiter gegen homologe und heterologe Influenzastämme untersucht und mit dem Schutz vor einer Infektion korreliert. Dabei zeigte sich, dass die Verwendung squalenbasierter Adjuvanzien die funktionalen Antikörperantworten um das 100-fache erhöhte und zu einer signifikant reduzierten Viruslast nach der Infektion mit dem homologen pandemischen Virus führte. Während in keiner Gruppe Antikörper gegen die heterologen Hämagglutinin-(HA-)Proteine H3, H5, H7 und H9 nachweisbar waren, induzierten mit squalenbasierten Adjuvanzien kombinierte Impfstoffe subtypenspezifische Antikörper gegen das N1 Neuraminidase-(NA-)Protein einschließlich H5N1. Darüber hinaus führte die Immunisierung mit squalenbasierten Adjuvanzien zu einer besseren Kontrolle der Influenzavirus-Replikation in den oberen Atemwegen.
Anschließend wurde im zweiten Teil dieser Arbeit unter Einbeziehung der gewonnenen Erkenntnisse eine Immunisierungsstrategie zur schnellen Produktion therapeutischer Hyper-immunseren entwickelt, wobei unterschiedliche Antigenexpressionssysteme miteinander verglichen wurden. Während in den frühen Stadien eines Ausbruchs Rekonvaleszenzseren nicht ohne weiteres verfügbar sind, können Antiseren tierischen Ursprungs innerhalb eines kurzen Zeitraums hergestellt werden. Die Herausforderung liegt in der schnellen Induktion einer schützenden Immunität, wobei die effiziente Produktion und Reinigung von Hyperimmunserum in klinisch relevanten Mengen ebenso essenziell ist wie die Anpassungsfähigkeit der Immunisierungsstrategie an neue oder hinsichtlich ihrer Antigenizität veränderte Viren. Hierzu wurden verschiedene Immunisierungsstrategien in Mäusen und Kaninchen verglichen, die unterschiedliche Expressionssysteme für das Modellantigen Ebolavirus-Glykoprotein (EBOV-GP) verwenden: (i) Ebolavirus-ähnliche Partikel (VLP), (ii) das rekombinante modifizierte Vacciniavirus Ankara (MVA) sowie (iii) das rekombinante Virus der vesikulären Stomatitis (VSV). Im Ergebnis induzierte eine dreimalige Immunisierung mit VLPs in Kombination mit squalenhaltigem Adjuvans neutralisierende Antikörpertiter, die vergleichbar mit der Immunisierung mit replikationskompetentem VSVΔG/EBOV-GP waren. Dies deutet darauf hin, dass nicht die De-novo-Antigenexpression, sondern vielmehr die mehrfache Präsentation des Antigens in nativer Konformation für die Produktion von neutralisierenden Antikörpern essenziell ist. Darüber hinaus waren die funktionalen Antikörpertiter aller Kaninchenseren in der In-vitro-Analyse gegen das Wildtypvirus 10- bis 100-fach höher als der Durchschnitt, der in mit VSVΔG/EBOV-GP geimpften Probanden beobachtet wurde. Die Etablierung eines optimierten mehrstufigen Reinigungsverfahrens unter Verwendung einer zweistufigen Ammoniumsulfat-Präzipitation, gefolgt von einer Protein-A-Affinitätschromatographie, führte zu aufgereinigten IgG-Präparationen mit nahezu unveränderter neutralisierender Aktivität, die über neun Tage im xenogenen In-vivo-Modell stabil waren. Die signifikante Erhöhung von totalen und funktionalen Antikörpertitern in Kombination mit einer größeren Breite der Antikörperantwort im Kontext von squalenbasierten Adjuvanzien stützt die Hypothese dieser Arbeit. Adjuvantierte Immunisierungsstrategien sind damit ein vielversprechender Ansatz nicht nur zur Wirksamkeitssteigerung von Subunit- und Proteinimpfstoffen, sondern auch zur schnellen Herstellung von therapeutischen Antiseren.
Background: Community acquired viruses (CRVs) may cause severe disease in cancer patients. Thus, efforts should be made to diagnose CRV rapidly and manage CRV infections accordingly.
Methods: A panel of 18 clinicians from the Infectious Diseases Working Party of the German Society for Haematology and Medical Oncology have convened to assess the available literature and provide recommendations on the management of CRV infections including influenza, respiratory syncytial virus, parainfluenza virus, human metapneumovirus and adenovirus.
Results: CRV infections in cancer patients may lead to pneumonia in approximately 30% of the cases, with an associated mortality of around 25%. For diagnosis of a CRV infection, combined nasal/throat swabs or washes/aspirates give the best results and nucleic acid amplification based-techniques (NAT) should be used to detect the pathogen. Hand hygiene, contact isolation and face masks have been shown to be of benefit as general infection management. Causal treatment can be given for influenza, using a neuraminidase inhibitor, and respiratory syncytial virus, using ribavirin in addition to intravenous immunoglobulins. Ribavirin has also been used to treat parainfluenza virus and human metapneumovirus, but data are inconclusive in this setting. Cidofovir is used to treat adenovirus pneumonitis.
Conclusions: CRV infections may pose a vital threat to patients with underlying malignancy. This guideline provides information on diagnosis and treatment to improve the outcome.
With respect to nosocomial influenza infections, the welfare of patients is best served by high rates of staff immunity against influenza. However, data from the Centers of Disease Control (CDC) in the USA and the Robert Koch-Institute (RKI) in Germany indicate that most of health care workers (HCWs) choose not to be vaccinated. Under voluntary influenza immunization standards, institutional influenza outbreaks occur every flu season. The question about the legality of implementation mandatory flu vaccination for HCWs is an ongoing debate, which covers several different positions.
To characterize the attitudes of German HCWs toward mandatory influenza immunization, an anonymous questionnaire was offered to HCWs of the University Hospital in Frankfurt/Main / Germany. Our study showed that almost 70% of the respondents would accept mandatory influenza vaccination.
In our opinion an annual influenza vaccination should be required for HCWs who care for immunocompromised patients and residents in long-term care if there will be a failure of voluntary vaccination programs. An informed declination should be obtained from employees who decline vaccination and these HCWs ought to work in uncritical areas of patient care.