Host immunity and skin microbiome interplay: Importance for protection against sea lice infestation in Atlantic salmon

​Sammendrag av resultater fra prosjektets faglige sluttrapport (English summary further below)
I dette prosjektet har man studert effekt av vaksinasjon/aktiv immunisering mot lakselusinfestasjon hos atlantisk laks. Alle forsøk har vært gjennomført som karforsøk og vaksinert fisk har blitt smittet eksperimentell med kopepoditter. Man har også gjort noen studier av fiskens hudmikrobiom etter smitte med spesiell vekt på mykobiomet. Det har også vært gjennomført smittestudier med kopepoditter etter kondisjonering med probiotiske bakterier. I prosjektet har man vaksinert laks med antigener fra hele lakselus som har bestått av chalimus, voksne hunn- og hannlus samt eggstrenger. Antigenene har vært laget ved at de ulike stadiene har vært homogenisert og så frysetørket. Vaksinene har vært tillaget ved å veie frysetørket pulver inn i en vannløsning, dernest formulert som en vann-i-olje emulsjon. Emulsjonsvaksinene har vært levert intraperitonealt (IP) eller subcutant (SC).

Videre har man valgt ut proteiner fra lakselus som har blitt uttrykt rekombinant, antigenene har blitt renset opp og blitt formulert i en emulsjonsvaksine. På samme måte har en også benyttet DNA vaksiner som koder for definerte luse-proteiner som intramuskulær vaksinasjon. Vaksinasjon med hel lus-antigener gir et redusert påslag etter eksperimentell smitte i karforsøk. Reduksjonen i lusepåslag varierer, i noen av forsøk helt opp mo 90 % relativ reduksjon og funnene er konsistente gjennom flere forsøk. Det er vist at vaksinen gir en dose-respons effekt, samt at fisk som er vaksinert med ulike doser og som holdes i samme kar også gir en dose-respons effekt. På samme måte har man vist at vaksiner basert på rekombinante proteiner gir en meget god relativ beskyttelse, mens DNA vaksiner så langt ikke har gitt signifikant reduksjon i lusepåslag.

På basis av disse forsøkene er det gode indikasjoner for at vaksinasjon med hele lakselus eller definerte rekombinante proteiner reduserer lusepåslaget ved eksperimentell smitte. Alle resultatene er basert på karforsøk. Videre er det vist i flere forsøk at det er en sammenheng mellom målte nivåer av sirkulerende antistoffer mot lakselus-antigener og lusetall etter eksperimentell smitte. Det aktive prinsipp er sannsynligvis ikke knyttet til antistoffer per se, men det gir indikasjoner om at måling av antistoffer med ELISA etter vaksinasjon mot lakselus kan være et in vitro mål på endringer i det immunlandskapet som gir redusert lusepåslag. De underliggende mekanismene er ikke kjent.

Et annet funn, som også er vist i flere forsøk, er at måten vaksinene leveres på betyr mye. Generelt så gir en IP-vaksinasjon eller en SC-vaksinasjon hver for seg, den beste effekten. Hvis det gis en kombinasjon av de to administrasjonsveiene, så reduseres effekten av begge, selv om dosen dobles. Det er ikke enkelt å forklare de underliggende mekanismene; en mulig forklaring kan ligge i de “preprogrammerte” immunlanskapet hos laks ved eksponering for lus over/på eller i nærheten av slimhinner. I prosjektet fant man at immunresponsen nulles ut, og dette avleses som redusert effekt og redusert antistoffnivå både for høy og lav antigendose. På samme måte som en IP-SC-kombinasjon reduserer effekten så har en også vist at en IP – oral boost-kombinasjon kommer dårligere ut en IP alene. Hvorvidt laks har en samordnet systemisk og lokal respons som har en effekt på tvers av ulike slimhinner er ikke kjent.

Samlet sett er prosjektgruppen mer håpefulle for at det skal være mulig å utvikle en vaksine mot lakselus-infestasjon nå enn da prosjektet startet. Det er vist i flere av våre studier at man oppnår et redusert lusepåslag etter vaksinasjon.

Results achieved
Summary of results from the project’s final reporting
In this project, the study focused on the effect of vaccination/active immunization against salmon lice infestation in Atlantic salmon. All trials have been carried out as tank trials and vaccinated fish have been experimentally infected with copepodites. The fish skin microbiome, particularly the mycobiome, was studied post-infection. Challenge studies have been carried out with copepodites after conditioning with probiotic bacteria. Vaccination of salmon utilized antigens from whole lice, including chalimus, adult female and male lice, as well as egg strings. The antigens have been made by homogenizing the various stages and then freeze-drying them. The vaccines have been prepared by weighing freeze dried powder into a water solution, then formulated as a water-in-oil emulsion. The emulsion vaccines have been delivered intraperitoneally (IP) or subcutaneously (SC).

Additionally, proteins from salmon lice were expressed recombinantly, purified, and formulated into an emulsion vaccine. DNA vaccines encoding specific louse proteins were used for intramuscular vaccination. Vaccination with whole louse antigens results in a reduced infestation after experimental infection in tank trials. The reduction in lice infestation varies, in some trials up to a 90% relative reduction and the findings are consistent across several trials. It has been shown that the vaccine produces a dose-response effect, and that vaccines given to fish at different doses and where the fish are cohabited, give a dose-response effect. Recombinant protein-based vaccines provided significant relative protection, while DNA vaccines did not yield a substantial reduction in lice infestation.

On the basis of these experiments, there are good indications that vaccination with whole salmon lice or defined recombinant proteins reduces the burden of lice during experimental infection. All results are based on tank tests. Furthermore, it has been shown in several experiments that there is a correlation between measured levels of circulating antibodies against salmon lice antigens and lice numbers after experimental infection. The active principle is probably not linked to antibodies per se, but it gives indications that measuring antibodies with ELISA after vaccination against salmon lice can be an in vitro measure of changes in the immune landscape that results in reduced lice infestation. The underlying mechanisms are not known.

Another finding, which has also been shown in several trials, is that the mode of delivery matters. In general, an IP vaccination or an SC vaccination separately gives the best effect. If a combination of the two routes of administration is given, the effect of both is reduced, even if the dose is doubled. It is not easy to explain the underlying mechanisms; a possible explanation may lie in the ‘preprogrammed’ immune landscape of salmon when exposed to lice on/on or near mucous membranes. Combined delivery methods resulted in a zeroed-out immune response, indicating reduced efficacy and antibody levels for both high and low antigen doses. Similarly, an IP-oral boost combination fared worse than IP alone. Whether salmon exhibits a coordinated systemic and local response affecting various mucous membranes remains unknown.

Despite uncertainties, optimism exists regarding the potential development of a vaccine against salmon lice infestation, supported by findings showing reduced lice infestation post-vaccination in several studies.