Impact of the conjugate vaccine, MenAfriVac, on carriage of serogroup A Neisseria meningitidis and disease transmission

Abstract

Neisseria meningitidis (Nm), also referred to as meningococcus, is a human commensal colonising the oropharynx, transmittable by close contact between healthy people. The bacterium can act as an opportunistic pathogen and cause bacterial meningitis and septicaemia. Meningococci are classified into 12 serogroups based on the composition of their polysaccharide (Ps) capsule. Six of these serogroups, serogroups A, B, C, W, X and Y cause meningococcal disease worldwide. The populations most affected by the disease live within the meningitis belt, a sub-Saharan region stretching from Senegal to Ethiopia. Serogroup A Nm (NmA) has been responsible for most of the outbreaks and large epidemics in that region, but serogroups W and X have also caused outbreaks.<br> Until 2010 Ps vaccines were used to halt ongoing epidemics in the meningitis belt, although they had limited effect in young children and did not provide long-term immunity. Conjugate vaccines, developed by coupling a protein to the Ps antigen to activate the T-helper cells of the immune system, elicit strong and long-lasting immune responses, also in children under 2 year, and mediate immunological memory. Until recently, however, conjugate vaccines were too expensive for African countries. An affordable tetanus toxoid-conjugated NmA vaccine, MenAfriVac, was therefore developed for use in the meningitis belt. Burkina Faso was the first country to vaccinate its population between 1 and 29 years of age in December 2010.<br> In addition to protect vaccinated persons from disease, conjugate vaccines may prevent colonisation by the bacterium and, consequently, reduce the circulation of pathogens; indirectly protecting the non-vaccinated people. This herd immunity effect is a major advantage, multiplying the public health impact of a vaccination campaign.<br> Safety and immunogenicity of MenAfriVac was demonstrated in clinical trials but the potential herd immunity effect of vaccination was unknown. The research summarized in this thesis was therefore initiated to determine whether MenAfriVac could provide herd immunity when used for the first time in mass vaccination in Burkina Faso. The specific aims of this work were to: 1) assess meningococcal carriage prevalence before and after mass vaccination with MenAfriVac to study the epidemiology of carriage and to evaluate the impact of vaccination on NmA carriage; 2) analyse the genetic and phenotypic characteristics of carriage isolates in comparison to those of invasive isolates from Burkina Faso; and 3) study the mucosal immune response to the vaccine.<br> A multicentre repeated cross-sectional study of meningococcal carriage in the 1 - 29-year-old population in Burkina Faso was successfully implemented before and after mass vaccination (Papers I, III and IV). Between January 2009 and November 2011, nine sampling campaigns were conducted simultaneously in three districts; the urban district of Bogodogo and two rural districts of Dandé and Kaya. During each sampling campaign >5000 oropharyngeal swabs were obtained from a representative portion of the population within four weeks, yielding a total of 45,847 samples. Samples were analysed by conventional laboratory methods in Burkina Faso and meningococci were confirmed and genetically characterized in Norway. A laboratory quality control system was implemented to harmonize operational procedures and to document the quality and reliability of the results (Paper II).<br> Overall baseline meningococcal carriage was 3.98% while NmA prevalence was 0.39%. In 2011, after MenAfriVac mass vaccination, overall meningococcal carriage prevalence was 7.02%, while NmA carriage was completely eliminated (P <0.001); NmA was no longer circulating from 3 weeks up to 13 months after mass vaccination both in the vaccinated and unvaccinated individuals. Carriage of NmY sequence type (ST)-4375 dominated in 2009, while carriage of NmX ST-181 dominated in 2010, before and after vaccination, and in 2011, after vaccination, although its prevalence decreased gradually.<br> The age distribution of meningococcal carriers in 2009, when NmY dominated, was different from the distribution in 2011, when NmX dominated. Thus, age distribution of meningococcal carriage depended on the epidemiological context and the dominant serogroup. Carriage was lowest in urban Bogodogo compared to the two rural districts. We observed a seasonal variation with higher carriage prevalence during the dry period of the year compared to the rainy season.<br> A study of invasive isolates recovered from patients in the meningitis belt between 2004 and 2010, before the introduction of MenAfriVac (Paper VI) showed that meningococcal disease had predominantly been caused by NmA ST-7 and ST-2859, both clones belonging to the ST-5 clonal complex. In Burkina Faso, the same genotype of NmA (ST-2859;P1.20,9;F3-1) was found in healthy carriers and in patients throughout the study period, NmX ST-181 emerged in 2010 before MenAfriVac introduction, NmY ST-4375 was sporadically identified, while the virulent NmW ST-11 clone was not circulating after 2004.<br> Molecular characterization of carriage and disease isolates after vaccine introduction demonstrated that NmW ST-11 had been re-introduced in Burkina Faso after MenAfriVac vaccination as it was first detected among carriers and patients in 2011 (Paper IV). We showed that higher NmX carriage and disease after vaccine introduction was not vaccine-induced, but due to a clonal wave that started before vaccine introduction. Capsule switch of the virulent ST-2859 genotype as a result of immune evasion was not observed up to 13 months after vaccination.<br> The epidemiology of carriage and molecular characteristics of the non-pathogenic, closely related species, Neisseria lactamica was also assessed before and after vaccine introduction (Paper V). N. lactamica carriage prevalence was homogeneous in the three study districts and stable over time, showing that the vaccine introduction did not affect carriage of N. lactamica. The epidemiology and molecular characteristics of N. lactamica were similar to those in industrialized countries; overall carriage prevalence was 18.2%, with a maximum in 2-year-olds (40.1%), and, in the 18 - 29-year-olds, carriage in women (9.1%) was higher than in men (3.9%).<br> Saliva samples were obtained from 198 10 - 14 year old children in the capital city of Ouagadougou before and after vaccination. We found a significant increase of salivary IgA and IgG antibodies targeting the serogroup A capsule after vaccination (P < 0.001). As salivary antibodies can prevent acquisition of pathogens in the upper respiratory tract, the results were consistent with the elimination of NmA carriage (manuscript in preparation).<br> As MenAfriVac was administered to children above 1 year of age in December 2010 and no catch-up or routine vaccination was performed after that, the number of unvaccinated children in Burkina Faso continuously increased. These children, however, were indirectly protected from disease at least up to 13 months after mass vaccination because NmA disappeared from circulation (Paper III). Thus, our results are consistent with a herd immunity effect generated by a successful MenAfriVac introduction.

Neisseria meningitidis (Nm), aussi appelé le méningocoque, est un commensal de l'homme qui colonise l'oropharynx et se transmet entre personnes en bonne santé. La bactérie peut agir comme un pathogène opportuniste et causer la méningite et/ou la septicémie. Les méningocoques sont classés en 12 sérogroupes en fonction de la composition du polysaccharide (Ps) de leur capsule. Six de ces sérogroupes, désignés A, B, C, W, X et Y, causent la méningite dans le monde. Les populations les plus touchées par la maladie vivent dans la ceinture de la méningite, une région de l’Afrique sub-saharienne qui s'étend du Sénégal à l'Ethiopie. Le sérogroupe A (NmA) a été responsable de la plupart des flambées et des épidémies importantes dans cette région, mais les sérogroupes W et X ont également provoqué des épidémies.<br> Jusqu'en 2010 les vaccins Ps ont été utilisés dans la ceinture de la méningite pour arrêter les épidémies en cours, malgré leur effet limité chez les jeunes enfants et leur durée de protection limitée. Les vaccins conjugués, développés en couplant une protéine à l'antigène Ps pour activer les lymphocytes T auxiliaires, provoquent de fortes réponses immunitaires de longue durée, également chez les enfants de moins de 2 ans, et permettent de promouvoir une mémoire immunologique. Cependant, les vaccins conjugués étaient jusqu'à récemment trop chers pour les pays d’Afrique. Un vaccin conjugué contre le NmA à prix abordable, MenAfriVac, a donc été développé pour être utilisé dans la ceinture de la méningite. Le Burkina Faso fut le premier pays à vacciner avec MenAfriVac toute sa population entre 1 et 29 ans en Décembre 2010.<br> En plus de protéger contre la maladie les personnes vaccinées, les vaccins conjugués peuvent empêcher la colonisation de l’oropharynx et, par conséquent, limiter la circulation des agents pathogènes; et ainsi indirectement protéger les personnes non vaccinées. Cet effet d’immunité de groupe est un atout majeur qui multiplie l'impact d'une campagne de vaccination sur la santé publique.<br> La sûreté et l'immunogénicité de MenAfriVac a été démontrée dans des essais cliniques, mais l'effet potentiel d'immunité de groupe était inconnue. La recherche résumée dans cette thèse a donc été initiée afin de déterminer si MenAfriVac pourrait fournir une immunité collective, lors de sa première utilisation dans une vaccination de masse au Burkina Faso. Les objectifs spécifiques de ce travail étaient les suivants: 1) évaluer la prévalence du portage du méningocoque avant et après la vaccination de masse avec MenAfriVac, étudier l'épidémiologie du portage et évaluer l'impact de la vaccination sur le portage du NmA; 2) analyser les caractéristiques génétiques et phénotypiques des souches de portage en rapport avec celles des souches invasives du Burkina Faso, et 3) étudier la réponse immunologique salivaire au vaccin.<br> Une étude multicentrique transversale répétée du portage méningé dans la population de 1 à 29 ans au Burkina Faso a été mise en oeuvre avant et après la vaccination de masse (Publications I, III et IV). Entre Janvier 2009 et Novembre 2011, neuf campagnes de prélèvement ont été menées simultanément dans trois districts, le district urbain de Bogodogo et les deux districts ruraux de Dandé et Kaya. Au cours de chaque campagne de prélèvement plus de 5000 échantillons oropharyngés ont été prélevés chez une portion représentative de la population au cours de quatre semaines, ce qui a donné un total de 45 847 échantillons. Les échantillons ont été analysés par des méthodes de laboratoire classiques au Burkina Faso et les méningocoques ont été confirmés et génétiquement caractérisés en Norvège. Un système de contrôle de qualité a été mis en place pour harmoniser les procédures opérationnelles et pour documenter la qualité et la fiabilité des résultats (Publication II).<br> Le taux de portage pré-vaccinal du méningocoque était de 3,98% alors que le taux de portage du NmA était de 0,39%. En 2011, après la vaccination de masse avec MenAfriVac, le portage du méningocoque était de 7,02%, tandis que le portage du NmA était complètement éliminé (P < 0,001); NmA n'était plus en circulation à partir de 3 semaines jusqu'à 13 mois après la vaccination de masse, à la fois chez les individus vaccinés et les non vaccinés. Alors que le portage du NmY séquence type (ST) -4375 dominait en 2009, NmX ST-181 dominait en 2010, avant et après la vaccination, ainsi qu’en 2011, après la vaccination, bien que son taux de portage ait diminué progressivement.<br> La répartition par âge des personnes porteuses de méningocoques en 2009, lorsque NmY dominait, était différente de la répartition en 2011, lorsque NmX dominait. Ainsi, l’âge des porteurs du méningocoque dépend du contexte épidémiologique et du sérogroupe dominant. Le portage était plus faible en milieu urbain que dans les districts ruraux. Nous avons observé aussi une variation saisonnière avec un portage plus élevé pendant la période sèche de l'année par rapport à la saison des pluies.<br> Une étude des souches invasives isolées chez des patients de la ceinture de la méningite entre 2004 et 2010, avant l'introduction de MenAfriVac (Publication VI) a montré que la méningite avait été principalement causée par NmA ST-7 et ST-2859, deux clones appartenant au complexe clonal ST-5. Au Burkina Faso, le même génotype de NmA (ST- 2859; P1.20,9;F3-1) a été trouvé chez les porteurs sains et chez les patients tout au long de la période de l'étude, le NmX ST-181 a émergé en 2010, avant l'introduction de MenAfriVac, le NmY ST-4375 a été identifié de façon sporadique, alors que le clone hypervirulent ST-11 n'a pas été en circulation après 2004.<br> La caractérisation moléculaire des souches de portage et des souches invasives après l'introduction du vaccin a démontré que NmW ST-11 a été réintroduit au Burkina Faso après la vaccination avec MenAfriVac; ce clone a été retrouvé chez des porteurs et des patients pour la première fois en 2011 (Publication IV). Nous avons montré que l’augmentation du portage et de la maladie causée par NmX après l'introduction du vaccin n'a pas été induite par le vaccin, mais par une vague de ce clone qui avait commencé avant l'introduction du vaccin. Jusqu'à 13 mois après la vaccination, nous n’avons pas observé un changement de capsule du clone ST-2859, ce qui pourrait s’être produit pour éviter la pression immunitaire.<br> L'épidémiologie du portage et les caractéristiques moléculaires de la bactérie nonpathogénique, Neisseria lactamica, ont également été étudiées avant et après l'introduction du vaccin (Publication V). Le taux de portage du N. lactamica était similaire dans les trois districts et stable dans le temps, montrant que l'introduction du vaccin n'a pas influencé le portage de N. lactamica. Les caractéristiques épidémiologiques et moléculaires de N. lactamica étaient semblables à celles documentées dans des pays industrialisés; le taux de portage était de 18,2%, avec un maximum chez les enfants de 2 ans (40,1%). Chez les 18 à 29 ans, le portage chez les femmes (9,1%) était plus élevé que chez les hommes (3,9%).<br> Des échantillons de salive ont été obtenus de 198 enfants entre 10 et 14 ans dans la capitale Ouagadougou, avant et après la vaccination. Nous avons constaté une augmentation significative des anticorps salivaires IgA et IgG ciblant la capsule du NmA après la vaccination (P <0,001). Comme les anticorps salivaires peuvent empêcher l'acquisition d'agents pathogènes dans les voies respiratoires, les résultats étaient cohérents avec l'élimination du portage du NmA.<br> MenAfriVac a été administré aux enfants de plus d’1 an en Décembre 2010 et, comme aucun rattrapage ou aucune vaccination de routine n’ont été effectués par la suite, le nombre d'enfants non vaccinés au Burkina Faso a augmenté. Cependant, ces enfants sont indirectement protégés de la maladie, au moins jusqu'à 13 mois après la vaccination de masse, à cause de la disparition du NmA de la circulation (Publication III). Nos résultats sont cohérents avec un effet d'immunité de groupe généré par une introduction réussie de MenAfriVac.