Український часопис ветеринарних наук

Перспектива використання екзотоксину В. аnthracis у конструюванні протисибіркових препаратів екстреної дії

Уляна Миколаївна Яненко, Ганна Анатоліївна Завірюха, Тетяна Борисівна Васильєва, Наталія Григорівна Сорокіна, Ніна Іванівна Кос’янчук
Завантажити статтю
Анотація

Актуальність дослідження зумовлена тим, що на території України періодично реєструються спалахи сибірки, не тільки в жуйних тварин, а й в свиней, хутрових звірів, собак і людей. Мета роботи – провести дослідження захисних властивостей дослідних вакцин і абацилярної вакцини «Антракол» і довести імуногенну дію екстрацелюлярного токсину зі штаму B. anthracis K-79 Z. Для дослідів використовували культури вакцинних штамів антракса: B. anthracis 55, B. anthracis СБ, B. anthracis K-79 Z і вакцину «Антракол» (експериментальна розробка). В роботі використовували мікробіологічні, клініко-біологічні та біотехнологічні методи досліджень. Захисну дію вивчали на мурчаках (Cavia porcellus). Проведено гострий дослід із вірулентним штамом B. anthracis 92 Z. Від зазначених культур отримали екзотоксин. Його титр визначали в реакції диск-преципітації. Найвищий результат щодо продукції екзотоксину зафіксовано у B. anthracis К-79 Z 1 : 128 за концентрації сумарного білка – 0,19 мг/мл, тоді як екзотоксин штаму B. аnthracis 55 з титром 1 : 32 показав високу концентрацію сумарного білка – 0,4 мг/мл. Вплив екзотоксинів B. anthracis на організм вивчали шляхом їх введення лабораторним тваринам в різних титрах екзотоксинів із наступним зараженням патогенним штамом B. anthracis 92 Z. Екзотоксин вакцинного штаму B. anthracis K-79 Z в титрі 1 : 64–1 : 128 виявляє найкращі захисні властивості проти патогенного штаму. Встановлено, що вакцинні штами B. anthracis СБ і B. anthracis K-79 Z володіють однаковим рівнем захисту лабораторних тварин за експериментального зараження, що становить 60%, тоді як вакцина зі штаму B. anthracis 34F2 показала рівень захисту 20%. За результатами проведених досліджень виявилося доцільним використовувати екзотоксин B. anthracis у розробці профілактичних препаратах щодо сибірки. Результати досліджень можуть бути використані науковцями і спеціалістами в галузі ветеринарної медицини у розробці нових та вдосконаленні наявних вакцин для ефективної профілактики сибірки

Ключові слова

сибірка, метаболіти, превентивна дія, абацилярна вакцина «Антракол»

ЦИТУВАТИ
Yanenko, U., Zaviriukha, H., Vasylieva, T., Sorokina, N., & Kosianchuk, N. (2022). Prospect of using B. anthracis exotoxin in the design of anti-selective emergency preparations. Ukrainian Journal of Veterinary Sciences, 13(3), 65-74. https://doi.org/10.31548/ujvs.13(3).2022.65-74
Використані джерела

[1] Topluoglu, S., Aktas, D., & Celebi, B. (2021). Tropical human anthrax in Turkey: A ten years’ experience (2009-2018). Tropical Doctor, 51(1), 80-83. doi: 10.1177/0049475520969542.

[2] Kutmanova, A., Doganay, M., & Zholdoshev, S. (2020). Human anthrax in Kyrgyz Republic: Epidemiology and clinical features. Journal of Infection and Public Health, 13(8), 1161-1165. doi: 10.1016/j.jiph.2020.02.043.

[3] Dutta, P.K., Biswas, H., Ahmed, J.U., Shakif-Ul-Azam, M., Jafar, B.M., Ahammed, A., & Dey, A.R. (2021). Knowledge, attitude and practices (KAP) towards Anthrax among livestock farmers in selected rural areas of Bangladesh. Veterinary Medicine and Science, 7(5), 1648-1655. doi: 10.1002/vms3.561.

[4] Walsh, M.G., Mor, S.M., & Hossain, S. (2019). The elephant-livestock interface modulates anthrax suitability in India. Proceedings of the royal society B: Biological sciences, 286(1898), article number 20190179. doi: 10.1098/rspb.2019.0179.

[5] Carlson, C., Kracali, I., Ross N., Alexander, K., Hugh-Jones, M., Fegan, M., Elkin, B., Epp, T., Shury, T., Zhang, W., Bagirova, M., Getz, W., & Blackburn, J. (2019). The global distribution of Bacillus anthracis and associated anthrax risk to humans, livestock and wildlife. Nature Microbiology, 4(8), 1337-1343. doi: 10.1038/s41564-019-0435-4.

[6] Kondakova, O., Nikitin, N., Evtushenko, E., Ryabchevskaya, E., Atabekov, J., & Karpova, O. (2019). Vaccines against anthrax based on recombinant protective antigen: Problems and solutions. Expert Review of Vaccines, 18(8), 813-828. doi: 10.1080/14760584.2019.1643242.

[7] Clark, J., Terwilliger, A., Nguyen, C., Green, S., Nobles, C., & Maresso, A. (2019). Heme catabolism in the causative agent of anthrax. Molecular Microbiology, 112(8), 515-531. doi: 10.1111/mmi.14270.

[8] Pomerantsev, A., Jackson-Hundley, V., Sievers, M., Bothra, A., & Leppla, S. (2022). Structural and functional analysis of toxin and small RNA gene promoter regions in Bacillus anthracis. Journal of Bacteriology, doi: 10.1128/jb.00200-22.

[9] Rublenko, I.O., & Skripnik, V.G. (2018). Follow-up of the stability of experimental series of live vaccines against Siberian creatures from the strain ua-07 “Antravak” (for 18 months after preparation date). Biology Creation, 20(1), 116-122. doi: 10.15407/animbiol20.01.116.

[10] Zaviriukha, H.A., Yavorska, K.V., & Slupska, V.V. (2012). Influence of exotoxins of vaccine strains of anthrax pathogen Bac. anthracis 34F2 , Bac. anthracis K79Z on the organism of laboratory animals. Bulletin of the Zhytomyr National Agroecological University, 32(3(1), 175-180.

[11] Zaviriukha, H.A., Yavorska, K.V., Slupska, V.V., & Davydenko, T.I. (2013). Features of toxigenic properties of vaccine strains of anthrax pathogen Bacillus anthracis K79Z and Bacillus anthracis SB. Veterinary biotechnology, 22, 164-169.

[12] Zaviriukha, H.A., & Yanenko, U.M. (2019). Toxin vaccine for therapeutic and prophylactic vaccinations in anthrax outbreak areas. Agrarian Science and Education in the Conditions of European Integration, 1, 318-320.

[13] Salgado, J.R., Rabinovitch, L., Dos S Gomes, M.F., da Sb Allil, R.C., Werneck, M.M., Rodrigues, R.B., Picão, R.C., de Oliveira Luiz, F.B., & Vivoni, A.M. (2020). Detection of Bacillus anthracis and Bacillus anthracis-like spores in soil from state of Rio de Janeiro, Brazil. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 115, article number 200370. doi: 10.1590/0074- 02760200370.

[14] Bower, W.A., Hendricks, K.A., Vieira, A.R., Traxler, R.M., Weiner, Z., Lynfield, R., & Hoffmaster, A. (2022). What is anthrax? Pathogens, 11(6), article number 690. doi: 10.3390/pathogens11060690.

[15] Ushkalov, V.O., & Machuskyi, O.V. (2010). Epizootic situation of animal anthrax in Ukraine for 1979-2009. Veterynary Medicine, 94, 187-193.

[16] Clark, A., & Wolfe, D. (2020). Current state of anthrax vaccines and key R&D gaps moving forward. Microorganisms, 8(5), article number 651. doi: 10.3390/microorganisms8050651.

[17] Buhr, T.L., Minter, Z.A., Kennihan, N.L., Young, A.A., Borgers-Klonkowski, E.L., Osborn, E.B., Bohmke, M.D., Hamilton, S.M., Kimani, M.B., Miller, C.T., Mackie, R.S., Innocenti, J.M., Bensman, M.D., & Lilly, S.D. (2020). Combining spore germination and heat inactivation to decontaminate materials contaminated with Bacillus anthracis spores. Journal of Applied Microbiology, 128(1), 124-137. doi: 10.1111/jam.14474.

[18] Setlow, P., & Christie, G. (2021). What’s new and notable in bacterial spore killing! World Journal of Microbiology and Biotechnology, 37(8), article number 144. doi: 10.1007/s11274-021-03108-0.

[19] Liddington, R.C. (2021). Assembly and function of the anthrax toxin protein translocation complex. Subcellular Biochemistry, 96, 563-577. doi: 10.1007/978-3-030-58971-4_18.

[20] Dumas, E.K., Demiraslan, H., Ingram, R.J., Sparks, R.M., Muns, E., & Zamora, A. (2020). Toxin-neutralizing antibodies elicited by naturally acquired cutaneous anthrax are elevated following severe disease and appear to target conformational epitopes. PLoS ONE, 15(4), article number 0230782. doi: 10.1371/journal.pone.0230782.

[21] Datta, K.K., & Singh, J. (2002). Anthrax. The Indian Journal of Pediatrics, 69, 49-56. doi: 10.1007/BF02723777.

[22] Black, H., Chapman, A., Inverarity, D., & Sinha, S. (2017). Heroin-associated anthrax with minimal morbidity. British Medical Journal, article number 2016218316. doi: 10.1136/bcr-2016-218316.

[23] Titukh, Ya.V., Baidevlyatov, Yu.A., Rebenko, G.I., & Musienko, Yu. (2020). Influence of vaccination of cows against anthrax on the artificial insemination results. Bulletin of the Sumy National Agrarian University, 4(51), 3-10. doi: 10.32845/bsnau.vet.2020.4.1.

[24] Vietri, N.J., Tobery, S.A., Chabot, D.J., Ingavale, S., Somerville, B.C., Miller, J.A., Schellhase, Ch.W., Twenhafel, N.A., Fetterer, D.P., Cote, Ch.K., Klimko, Ch.P., Boyer, A.E., Woolfitt, A.R., Barr, J.R., Wright M.E., & Friedlander, A.M. (2021). Clindamycin protects nonhuman primates against inhalational anthrax but does not enhance reduction of circulating toxin levels when combined with ciprofloxacin. The Journal of Infectious Diseases, 223(2), 319-325. doi: 10.1093/infdis/jiaa365.

[25] Vietri, N.J. (2018). Does anthrax antitoxin therapy have a role in the treatment of inhalational anthrax? Current Opinion in Infectious Diseases, 31(3), 257-262. doi: 10.1097/QCO.0000000000000446.

[26] Hoelzgen, F., Zalk, R., Alcalay, R., Schwartz, S.C., Garau, G., Shahar, A., Mazor, O., & Frank, G.A. (2021). Neutralization of the anthrax toxin by antibody-mediated stapling of its membrane-penetrating loop. Acta Crystallographica Section D: Structural Biology, 77(9), 1197-1205. doi: 10.1107/S2059798321007816.

[27] Alameh, S., Bartolo, G., O’Brien, S., Henderson, E.A., Gonzalez, L.O., Hartmann, S., Klimko, C.P., Shoe, J.L., Cote, Chr.K., Grill, L.K., Levitin, A., & Shilman, M.M. (2020). Anthrax toxin component, Protective Antigen, protects insects from bacterial infections. PLoS ONE, 16(8), article number 1008836. doi: 10.1371/journal.ppat.1008836.

[28] Sumithra, T.G., Chaturvedi, V.K., Gupta, P.K., Bincy, J., Siju, S.J., Reshma, K.J., & Patel, C.L. (2021). A novel bicistronic DNA vaccine with enhanced protective immune response against Bacillus anthracis through DNA prime-protein boost vaccination approach. Microbial Pathogenesis, 158, article number 105104. doi: 10.1016/j.micpath.2021.105104.

[29] Sergeeva, O.A., & van der Goot, F.G. (2019). Anthrax toxin requires ZDHHC5-mediated palmitoylation of its surface-processing host enzymes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116(4), 1279-1288. doi: 10.1073/pnas.1812588116.

[30] Dale, J.L, Raynor, M.J., Ty, M.C, Hadjifrangiskou, M., & Koehler, T.M. (2018). A dual role for the Bacillus anthracis master virulence regulator AtxA: Control of sporulation and anthrax toxin production. Frontiers in Microbiology, 9, article number 482. doi: 10.3389/fmicb.2018.00482.

[31] Choate, L.A., Barshad, G., McMahon, P.W., Said, I., Rice, E.J., Munn, P.R., Lewis, J.J., & Danko, Ch.G. (2021). Multiple stages of evolutionary change in anthrax toxin receptor expression in humans. Nature Communications, 12(1), article number 6590. doi: 10.1038/s41467-021-26854-z.

[32] Ryabchevskaya, E.M., Evtushenko, E.A., Granovskiy, D.L., Ivanov, P.A., Atabekov, J.G., Kondakova, O.A., Nikitin, N.A., & Karpova, O.V. (2021). Two approaches for the stabilization of Bacillus anthracis recombinant protective antigen. Human Vaccines & Immunotherapeutics, 17(2), 560-565. doi: 10.1080/21645515.2020.1772632.

[33] Modi, T., Gervais, D., Smith, S., Miller, J., Shaan, S. ,& Thalassinos, K. (2021). Characterization of the UK anthrax vaccine and human immunogenicity. Human Vaccines & Immunotherapeutics, 17(3), 747-758. doi: 10.1080/21645515.2020.1799668.

[34] Dumas, E.K., Gross, T., Larabee, J., Pate, L., Cuthbertson, H., Charlton, S., Hallis, B., Engler, R.J.M., Collins, L.C, Spooner, C., Chen, H., Ballard, J., James, J.A., & Farris, A.D. (2017). Anthrax vaccine precipitated induces edema toxin-neutralizing, edema factor-specific antibodies in human recipients. Clinical and Vaccine Immunology, 24(11), article number 00165-17. doi: 10.1128/CVI.00165-17.

[35] Wolfe, D.N., Espeland, E.M., Gao, Y., Lu, D., Blatner, G., Amass, K., Horwith, G., Tong, X.M., Hopkins, R., David, G.L., Jepson, B.M., & King, J.C. (2020). Evaluation of BioThrax® and AV7909 anthrax vaccines in adults 66 years of age or older. Vaccine, 38(50), 7970-7976. doi: 10.1016/j.vaccine.2020.10.053.

[36] Perry, M.R., Ionin, B., Barnewall, R.E., Vassar, M.L., Reece, J.J., Sukjoon, P., Laurence, L., Skiadopoulos, M.H., Shearer, J.D., & Savransk, V. (2020). Development of a guinea pig inhalational anthrax model for evaluation of post-exposure prophylaxis efficacy of anthrax vaccines. Vaccine, 8(10), 2307-2314. doi: 10.1016/j.vaccine.2020.01.068.

[37] Davenport, J., Gomez, R., & Smith, D. (2020). Latex content in the anthrax vaccine absorbed. Journal of Allergy and Clinical Immunology: In Practice, 8(9), 3201-3202. doi: 10.1016/j.jaip.2020.05.042.

[38] Meng-Hung, T., Chuan-Chang, C., Cheng-Cheung, C., Hui-Ju, Y., Kuang-Ming, C., Xin-An, C., Huey-Fen, S., Chia-Ying, L., Youngenn-Jong, Y., & Jyh-Hwa, K. (2020). Nanoparticles assembled from fucoidan and trimethylchitosan as anthrax vaccine adjuvant: In vitro and in vivo efficacy in comparison to CpG. Carbohydrate Polymers, 236, article number 116041. doi: 10.1016/j.carbpol.2020.116041.

[39] Koehler, S.M., Buyuk, F., & Celebi, O. (2017). Protection of farm goats by combinations of recombinant peptides and formalin inactivated spores from a lethal Bacillus anthracis challenge under field conditions. BMC Veterinary Research, 13, article number 220. doi: 10.1186/s12917-017-1140-2.

[40] Ndumnego, O.C., Koehler, S.M., & Crafford, J.E. (2018). Immunogenicity of anthrax recombinant peptides and killed spores in goats and protective efficacy of immune sera in A/J mouse model. Scientific Reports, 8, article number 16937. doi: 10.1038/s41598-018-35382-8.

[41] Gupta, N., Khatoon, N., Mishra, A., Verma, V.K., & Prajapati, V.K. (2020). Structural vaccinology approach to investigate the virulent and secretory proteins of Bacillus anthracis for devising anthrax next-generation vaccine. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 38(16), 4895-4905. doi: 10.1080/07391102.2019.1688197.

[42] Smiley, M.A., Sanford, D.C., Triplett, Ch.A., Callahan, D., Frolov, V., Look, J., Ruiz, Ch., Reece, J.J., Miles, A., Ruiz, E., Ionin, B., Shearer, J.D., & Savransky, V. (2019). Comparative immunogenicity and efficacy of thermostable (lyophilized) and liquid formulation of anthrax vaccine candidate AV7909. Vaccine, 37(43), 6356-6361. doi: 10.1016/j.vaccine.2019.09.015.

[43] Żakowska, D., Graniak, G., Rutyna, P., Naylor, K., Głowacka, P., & Niemcewicz, M. (2019). Protective antigen domain 4 of Bacillus anthracis as a candidate for use as vaccine for anthrax. Annals of Agricultural and Environmental Medicine, 26(3), 392-395. doi: 10.26444/aaem/99669.

[44] Weilhammer, D.R., Dunkle, A.D., Boone, T., Gilmore, S.F., Khemmani, M., Peters, S.K.G., Hoeprich, P.D., Fischer, N.O., Blanchette, C.D., Driks, A., & Rasley, A. (2020). Characterization of Bacillus anthracis spore proteins using a nanoscaffold vaccine platform. Frontiers in Immunology, 11, article number 1264. doi: 10.3389/fimmu.2020.01264.

[45] Smith, K., Garman, L., Norris, K., Muther, J., Duke, A., Engle, R.J.M., Nelson, M.R., Collins,  L.C., Spooner, Ch., Guthridge, C., & James, J.A. (2021). Insufficient anthrax lethal toxin neutralization is associated with antibody subclass and domain specificity in the plasma of anthrax-vaccinated individuals. Microorganisms, 9(6), article number 1204. doi: 10.3390/microorganisms9061204.

[46] Weir, G.M., MacDonald, L.D., Rajagopalan, R., Sivko, G.S., Valderas, M.W., Rayner, J., & Stanford, M.M. (2019). Single dose of DPX-rPA, an enhanced-delivery anthrax vaccine formulation, protects against a lethal Bacillus anthracis spore inhalation challenge. NPJ Vaccines, 4(1), 1-9. doi: 10.1038/s41541-019-0102-z.

[47] Jones, R.M., Burke, M., Dubose, D., Chichester, J.A., Manceva, S., Horsey, A., & Yusibov,  V. (2017). Stability and pre-formulation development of a plant-produced anthrax vaccine candidate. Vaccine, 35(41), 5463-5470. doi: 10.1016/j.vaccine.2016.12.009.

[48] Dahhas, M.A., & Alsenaidy, M.A. (2022). Role of site-directed mutagenesis and adjuvants in the stability and potency of anthrax protective antigen. Saudi Pharmaceutical Journal, 30(5), 595-604. doi: 10.1016/j.jsps.2022.02.011.

[49] Mamillapalli, S., Miyagi, M., & Bann, J.G. (2017). Stability of domain 4 of the anthrax toxin protective antigen and the effect of the VWA domain of CMG2 on stability. Protein Science, 26(2), 355-364. doi: 10.1002/pro.3087.

[50] TСU 46.15.132.96 “Live vaccine against animal anthrax from strain K-79 Z”. (1996). Kyiv: State Standard of Ukraine.

[51] Zaviriukha, A.I. (1998). Standard anthrax antigen for the diagnosis of anthrax. Patent of Ukraine No. 25400.

[52] European Convention for the Protection of Vertebrate Animals Used for Research and Other Scientific Purposes. (1986, March). Retrieved from http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/994_137.

[53] European Convention for the Protection of Pets. (2013, September). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/ show/994_a15#Text.

[54] Law of Ukraine No. 3447-IV “On the Protection of Animals from Cruel Treatment”. (2006, February). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/3447-15#Text.