Des caractéristiques structurales et antigéniques des rotavirus au

Dossier
Des caractéristiques
structurales et antigéniques
des rotavirus
au développement
des nouveaux vaccins
Nathalie Parez
Service des urgences pédiatriques, Hôpital d’enfants A. Trousseau, 26, rue du Dr Netter,
75571 Paris cedex 12. Fax : [phone]
<[email protected]>
Les rotavirus sont les premiers agents étiologiques responsables des diarrhées
sévères dans le monde. La lourde mortalité et l’importante morbidité que
l’infection entraîne chaque année à travers le monde en font un véritable enjeu
de santé publique. La vaccination semble représenter le seul moyen de préven-
tion efficace contre les gastroentérites à rotavirus. Deux vaccins vivants atténués
sont actuellement en voie de commercialisation en France. Ils ont été dévelop-
pés selon des stratégies qui utilisent des propriétés différentes du rotavirus et font
tous les deux preuve d’une bonne tolérance et d’une efficacité satisfaisante pour
la prévention des gastroentérites aiguës sévères à rotavirus.
Mots clés : gastroentérite aiguë, rotavirus, vaccination
La diarrhée représente la troisième
cause de mortalité infantile dans le
monde après les affections périnatales
et les infections respiratoires basses.
Le rotavirus est le premier agent étio-
logique responsable des diarrhées sé-
vères chez les enfants de moins de
5 ans hospitalisés dans les pays indus-
trialisés et dans les pays en voie de
développement [1]. La lourde morta-
lité et l’importante morbidité dues à
l’infection à rotavirus dans le monde
ont fait du développement d’un vac-
cin l’une des priorités mondiales de
santé publique. Le développement
des vaccins anti-rotavirus a tiré parti
de plusieurs propriétés naturelles du
rotavirus.
Caractéristiques
structurales des rotavirus
Les rotavirus appartiennent à la fa-
mille des Reoviridae. Ils sont répandus
dans tout le règne animal et peuvent
infecter la plupart des jeunes mammi-
fères et certains oiseaux. Leur trans-
mission ne respecte pas de barrière
stricte d’espèce et le passage naturel
d’un rotavirus d’une espèce à l’autre
(en particulier de l’animal à l’homme)
est possible. Les rotavirus sont des vi-
rus icosaèdriques non enveloppés
d’environ 100 nm de diamètre. Obser-
vés en microscopie électronique, ils
ont un aspect de roue (rota en latin) ou
de balle de golf (figure 1).
doi: 10.1684/mtp.2006.0019
mt pédiatrie, vol. 9, Numéro spécial, septembre 2006
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La particule infectieuse est constituée d’un génome
entouré d’une capside qui comprend trois couches
concentriques de protéines. Le génome ARN double brin
est constitué de 11 segments qui comportent chacun un
gène codant pour une protéine virale, à l’exception du
segment 11 qui contient deux phases ouvertes de lecture
codant deux protéines. Les protéines virales comprennent
6 protéines de structure (VP1-VP4, VP6 et VP7) et 6
protéines non structurales (NSP1 à NSP6) (figure 2). Les
protéines non structurales sont impliquées à des degrés
divers dans la réplication et la morphogenèse du virus [2],
mais leur rôle précis et leurs éventuelles activités enzyma-
tiques ne sont encore que partiellement reconnues.
Parmi les protéines non structurales, NSP4 est certai-
nement la plus remarquable. Elle joue un rôle majeur dans
la maturation des particules virales en formation dans la
cellule infectée [2-4]. Elle est responsable de l’équilibre
homéostatique du calcium intracellulaire [5], facteur in-
dispensable à la stabilité de la particule et à la réplication
virale. Enfin, elle se comporte comme une « entéro-
toxine », en étant responsable par elle-même du déclen-
chement de la diarrhée [6].
Les protéines de structure du rotavirus sont au nombre
de 6. Les protéines VP1, VP2 et VP3 constituent le core qui
entoure le génome viral. Elles ont chacune un rôle dans la
transcription de l’ARN et la réplication du virus. VP2
forme la couche protéique interne de la capside virale qui
en comprend trois. VP6 constitue la couche intermédiaire
et les protéines VP4 et VP7 forment la couche externe de la
capside (figure 3). Seulement trois des six protéines de
structure (VP6, VP7 et VP4) possèdent des propriétés
antigéniques qui jouent un rôle important dans la réponse
immunitaire de l’hôte et dans le développement des vac-
cins (tableau 1). VP6 (41 kDa) est la protéine la plus
abondante et la plus immunogène du virus [7]. Elle induit
la production d’anticorps qui ne neutralisent pas in vitro le
pouvoir infectieux du virus bien que des immunoglobuli-
nes de type A (IgA) polymériques spécifiques de VP6
puissent conférer une protection in vivo, probablement
100 nm
Figure 1. Particules de rotavirus humain observées en microscopie
électronique. Le prélèvement de selles provient d’un enfant hospita-
lisé pour gastroentérite aiguë. Les particules virales complètes ont un
aspect caractéristique en roue ou en balle de golf.
1
2,3
4
5
6
7
8
9
10
11
VP1
VP2,VP3
VP4
NSP1
VP6
NSP3
NSP2
VP7
NSP4
NSP5
NSP6
ARN Protéines
Figure 2. Electrophorétype d’un rotavirus. Chaque segment (milieu)
correspond à un gène et prend le numéro de son ordre de migration
dans le gel de polyacrylamide (gauche). Chaque gène code pour
l’une des 12 protéines virales (droite) à l’exception du segment 11 qui
code pour 2 protéines. Les protéines virales comprennent 6 protéines
de structure (VP) et 6 protéines non structurales (NSP).
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par neutralisation du virus lors de la transcytose dans les
cellules épithéliales intestinales [8]. VP6 porte les déter-
minants antigéniques qui permettent de classer les rotavi-
rus en 7 groupes antigéniques distincts (groupesAàG).
Seuls les rotavirus des groupes A, B et C ont été isolés à la
fois chez l’animal et chez l’homme. La quasi-totalité des
souches de rotavirus humains appartient au groupe A [9].
Les protéines de la capside externe VP7 et VP4 portent des
déterminants antigéniques de type et induisent la synthèse
d’anticorps neutralisants. La glycoprotéine VP7 (38 kDa)
représente la protéine la plus abondante du virus après
VP6 et le constituant principal de la capside externe. VP7
est l’antigène majeur de neutralisation et possède 6 do-
maines variables qui sont à la base de la spécificité anti-
génique de type G (pour glycoprotéine). Les techniques
immunologiques de séroneutralisation, d’ELISA ou
d’immuno-microscopie électronique ont permis d’identi-
fier 14 sérotypes G (G1 à G14) parmi les rotavirus du
groupe A. L’étude du gène 9 qui code VP7 (génotypage G)
a permis d’identifier 14 génotypes superposables aux séro-
types G. Plus de 90 % des souches de rotavirus de groupe
A circulant dans le monde et en Europe sont de type G1,
G2 ou G4 [10]. La protéine VP4 (88 kDa) est une protéine
dimérique non glycosylée qui forme des spicules à la
surface du virus lui donnant cet aspect de roue. Bien que
VP4 ne représente qu’un constituant mineur de la caspide
externe, elle possède plusieurs propriétés fondamentales.
C’est la protéine d’attachement du virus au récepteur
cellulaire [11] et l’hémagglutinine de certaines souches de
rotavirus [12]. Elle est aussi impliquée dans la virulence
[13]. Le clivage protéasique de VP4 produit deux protéi-
nes VP5* (60 kDa) et VP8* (28 kDa), cette dernière portant
les épitopes de neutralisation de VP4. La protéine VP4
porte les déterminants antigéniques de type P (pour sensi-
ble aux protéases). Les techniques immunologiques ont
permis de distinguer 10 sérotypes P (notés P1A, P1B, P2...)
parmi les rotavirus du groupe A. En revanche, l’analyse du
gène 4 codant VP4 (génotypage P) a abouti à une classifi-
cation différente des sérotypes en distinguant 20 génoty-
pes P. Il en résulte une double nomenclature dans la
désignation des types P de rotavirus, le génotype étant
mentionné entre crochets. Le type P1A[8] est le plus
souvent associé aux sérotypes G les plus fréquents (G1,
G2 et G4). Au total, la caractérisation complète d’une
souche de rotavirus est relativement complexe : elle com-
prend l’origine animale, le groupe, le sérotype ou le
génotype G, le sérotype P et le génotype P. Par exemple, la
souche de rotavirus humain Wa est décrite comme : Hu,
A, G1, P1A[8].
Développement des vaccins rotavirus
Les données épidémiologiques et cliniques disponi-
bles à travers le monde justifient pleinement le dévelop-
pement de la vaccination contre le rotavirus [14]. L’infec-
tion naturelle ne protège pas contre la réinfection, mais
protège le nourrisson contre la maladie sévère lors des
réinfections [15,16]. Il est légitime d’attendre que l’effica-
cité des vaccins rotavirus en termes de protection soit
comparable à celle de l’infection naturelle. Le but de cette
vaccination est donc de prévenir la survenue de gastroen-
térites aiguës sévères dues au rotavirus chez le nourrisson.
Cette vaccination doit être efficace non seulement contre
les trois sérotypes les plus fréquents du rotavirus dans le
monde (G1, G2 et G4) mais aussi contre les souches dont
le sérotype est plus rare mais qui prédominent localement
ou qui tendent à émerger depuis peu (G6 et G9) [17, 18].
L’approche jennérienne
La première stratégie de développement d’un vaccin
contre le rotavirus, et qui a été aussi la plus largement
étudiée, est fondée sur le concept développé par Edward
Jenner en 1798 pour la vaccination contre la variole. Le
vaccin utilisait un virus vivant d’origine animale proche
du virus humain, dont le pouvoir pathogène était naturel-
lement atténué pour l’homme, mais que l’on estimait
néanmoins capable de susciter une réponse immunitaire
protectrice comparable à celle qui survient à la suite d’une
VP2
VP6
VP7
VP4
VP3
Génome
VP1
Capside
Figure 3. Structure de la particule virale. Le génome ARN double brin
segmenté est entouré d’une capside constituée de trois couches
protéiques : la couche la plus interne est majoritairement constituée
de VP2, la couche intermédiaire est constituée de VP6, la protéine
majeure du rotavirus et la couche la plus externe est constituée des
deux protéines VP7 et VP4.
Tableau 1.Caractéristiques et rôles des protéines
de la capside du rotavirus
Gène Poids moléculaire
(kDa)
Constitution
de la capside
Rôle
antigénique
VP4* 4 88 Couche externe
(spicules)
Spécificité
de type P
VP6 6 41 Couche
intermédiaire
Spécificité
de groupe
VP7 9 38 Couche externe Spécificité
de type G
* Le clivage protéasique de VP4 (par la trypsine par exemple) produit deux protéines VP5*
(60 kDa) et VP8* (28 kDa). VP8* porte les déterminants antigéniques de VP4.
Caractéristiques structurales et antigéniques des rotavirus
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infection naturelle. L’efficacité de ces vaccins s’est révélée
inconstante en termes de niveau de protection [19, 20].
Elle était variable vis-à-vis des autres sérotypes non inclus
dans le vaccin [21]. L’efficacité dépendait aussi de la
localisation géographique où les essais cliniques avaient
été menés [22-25] et de l’âge des sujets vaccinés [26].
Pour toutes ces raisons, le développement de ces vaccins
n’a pas été poursuivi.
Dès lors, l’approche jennérienne « classique » a été
« modifiée ». La nouvelle approche a profité du caractère
segmenté du génome du rotavirus et des propriétés natu-
relles de réassortiment génétique du virus lors de co-
infections. Cette approche jennérienne « modifiée » uti-
lise des virus réassortants animal × humain et consiste à
inclure dans le vaccin les spécificités de VP7 des rotavirus
humains couplées au phénotype atténué de la souche
animale. Ainsi, les vaccins à base de virus réassortants
combinent le faible niveau pathogène pour l’homme de
certaines souches animales et les spécificités des sérotypes
les plus fréquents des souches humaines.
Ces vaccins réassortants développés à partir de deux
souches animales WC3 (bovine) et RRV (simienne) ont
d’abord contenu des virus réassortants individuels puis ont
inclus secondairement des mélanges de plusieurs virus
réassortants pour procurer une protection plus étendue
contre les sérotypes humains les plus fréquents.
Le premier vaccin réassortant ainsi produit comprenait
la souche simienne RRV (pour Rhesus RotaVirus) et 3 virus
réassortants simien x humain où le gène 9 du rotavirus
simien codant pour VP7 (type G3) a été remplacé par le
gène 9 d’un rotavirus humain de type G1, G2 ou G4. Ce
vaccin tétravalent a fait preuve d’une efficacité de 50 à
70 % pour la prévention de toutes les formes de diarrhée à
rotavirus et d’une efficacité de 65 à 90 % pour la préven-
tion des formes sévères. Les essais cliniques ont aussi
montré que ce vaccin pouvait protéger contre plusieurs
sérotypes de rotavirus et que son efficacité pouvait persis-
ter pendant trois saisons de rotavirus. Le vaccin était
cependant souvent responsable de fièvre (15 à 20 % des
sujets vaccinés selon les études) et de diarrhée après la
première administration. Ce vaccin vivant atténué, admi-
nistré par voie orale, a été mis sur le marché aux États-Unis
en août 1998 sous le nom de Rotashield
®
(RRV-TV, Wyeth
Lederle Vaccines) et recommandé pour la vaccination
universelle des nourrissons nés à terme, avec le schéma
d’une administration à 2, 4 et 6 mois. Cependant, entre
septembre 1998 et juillet 1999, alors que plus d’un million
de doses avaient été distribuées, quinze cas d’invagination
intestinale aiguë, dont deux décès, sont survenus chez des
jeunes nourrissons ayant reçu ce vaccin. Les études ulté-
rieures ont tenté d’établir un lien entre invagination intes-
tinale et vaccination. Elles ont mis en évidence d’une part
une forte relation temporelle entre la survenue de l’inva-
gination et la date d’administration du vaccin : parmi les
15 cas déclarés, 11 étaient survenus dans la première
semaine suivant la première administration du vaccin.
D’autre part, ces études ont mis en évidence un risque
anormalement élevé d’invagination chez les sujets vacci-
nés (entre 1 pour 4 670 et 1 pour 11 000 selon les études)
[27, 28]. Sur ces données, le vaccin a été retiré du marché
en novembre 1999 [29] bien que le lien entre invagination
intestinale aiguë et vaccination reste controversé [30].
Cette complication rare n’a pas d’explication physiopa-
thologique pour le moment et l’hypothèse d’un caractère
pathogène propre au virus simien reste à démontrer. De-
puis cette expérience malheureuse, la tolérance des vac-
cins vivants en cours de développement, en particulier en
termes d’invagination intestinale aiguë, doit désormais
être testée au cours d’essais cliniques de grande envergure
avant leur autorisation de mise sur le marché.
De nombreux vaccins rotavirus sont en cours de com-
mercialisation ou de développement (tableau 2). Ce sont
tous des vaccins vivants atténués, administrés par voie
orale. Un vaccin monovalent ovin (LLR) est produit loca-
lement et commercialisé en Chine. Plusieurs essais clini-
ques en Inde et en Australie évaluent l’efficacité vaccinale
de différentes souches d’origine néonatale. Un vaccin
hexavalent réassortant bovin × humain (UK-reassortant)
qui inclut les 5 types G les plus fréquents (G1-G4 et G9) et
le type G[8] est en cours de développement. Enfin, deux
vaccins (Rotateq
®
et Rotarix
®
) sont en voie de commercia-
lisation aux Etats-Unis et en Europe. Ils ont été développés
selon deux approches différentes.
Rotateq
®
Le développement du vaccin Rotateq
®
(Merck, USA)
repose sur la même approche de réassortiment génétique
que le premier vaccin réassortant RRV-TV (Rotashield
®
),
mais en utilisant comme fond génétique la souche de
rotavirus bovin WC3 (G6, P7[5]) dont on pense qu’elle est
moins pathogène pour l’homme que la souche simienne
[42]. Les réassortants qui entrent dans la composition du
vaccin incluent les sérotypes humains les plus courants :
G1, G2, G3 et G4 de VP7 ainsi que le génotype P[8] de
VP4 (correspondant au sérotype P1A) (figure 4). Le géno-
type P[8] a été inclus dans le vaccin car il est souvent
associé au sérotype G9. Le vaccin est conditionné sous
forme liquide, prêt à être administré par voie orale. Le
schéma d’administration comprend 3 doses espacées d’au
moins 1 mois. La première dose doit être administrée entre
6 et 12 semaines de vie. Rotateq
®
fait preuve d’une bonne
tolérance en termes de fièvre, de diarrhée et d’invagina-
tion intestinale aiguë [36]. Il protège le nourrisson contre
toutes les formes de gastroentérite à rotavirus dans 74 %
des cas et contre les formes sévères de gastroentérite à
rotavirus dans plus de 98 % des cas. Cette efficacité est
respectivement de 63 % et de 88 % pendant la deuxième
année qui suit la vaccination. Le vaccin permet de dimi-
mt pédiatrie, vol. 9, Numéro spécial, septembre 2006 43
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nuer d’environ 94 % le taux d’hospitalisations et de
consultations aux urgences pour gastroentérite aiguë à
rotavirus [36].
Rotarix
®
Le développement du vaccin Rotarix
®
(Glaxo Smith
Kline Biologicals, Belgique) repose sur l’utilisation d’un
virus humain vivant atténué dont le type est le plus ré-
pandu à travers le monde : G1, P1A [8]. Le rationnel de ce
vaccin rotavirus humain monovalent est fondé sur deux
observations. D’une part, l’infection naturelle par un rota-
virus humain induit une réponse immunitaire hétérotypi-
que dirigée contre d’autres sérotypes que celui du virus
responsable de l’infection. D’autre part, la survenue d’in-
vagination intestinale aiguë chez le nourrisson ne semble
pas liée à l’infection naturelle par les rotavirus humains. La
souche contenue dans ce vaccin a été isolée en 1988 à
partir des selles d’un patient hospitalisé à Cincinnati pour
gastroentérite aiguë. Elle a été atténuée par de nombreux
passages en culture cellulaire puis purifiée par dilution
limite et enfin cultivée sur cellules Vero pour obtenir la
souche vaccinale finale HRV RIX4414. Ce vaccin, fourni
sous forme de poudre, doit être reconstitué avant d’être
administré chez le nourrisson âgé de plus de 6 semaines à
raison de deux doses à deux mois d’intervalle. Il fait
preuve d’une bonne tolérance en termes de fièvre, de
diarrhée et d’invagination intestinale aiguë [35]. Il protège
le nourrisson contre les formes sévères de gastroentérite
aiguë à rotavirus dans 85 % des cas et permet de réduire
de 85 % le taux d’hospitalisations pour gastroentérite
aiguë sévère à rotavirus.
Les vaccins utilisant
des souches néonatales
L’infection du nouveau-né est le plus souvent asymp-
tomatique et induit une protection efficace contre la réin-
fection sous forme sévère. Cette observation a conduit à
développer plusieurs vaccins qui utilisent des souches
« néonatales » de rotavirus isolées à partir de selles de
nouveau-nés asymptomatiques (tableau 2). Ces souches
« néonatales » sont de types P particuliers (P [6] ou P [11]),
ce qui pourrait expliquer leur atténuation naturelle. La
première souche néonatale testée fut M37 (G1, P2A [6]).
Cette souche isolée au Venezuela s’est révélée inefficace
pour protéger le nourrisson, au cours d’un essai clinique
mené en Finlande [43] et son développement n’a donc pas
été poursuivi. La souche RV3 (G3, P2A [6]) isolée en
Australie a été atténuée par plusieurs passages en culture
cellulaire et semble induire une protection d’environ
50 % contre toutes les formes de la maladie. L’évaluation
plus précise de ce vaccin en termes d’efficacité et de
tolérance est en cours. Deux autres souches « néonata-
les » sont également en cours de développement en Inde.
La souche 116E (G9, P8 [11]) est un virus réassortant
naturel ayant intégré le gène 4 (VP4) d’un virus bovin dans
le fond génétique du virus humain. Cette souche mono-
réassortante est souvent retrouvée dans les maternités en
Inde et semble protéger le nourrisson contre la diarrhée à
rotavirus durant l’année qui suit la primo-infection [40].
L’autre souche, I321 (G10, P8 [11]) est également une
souche naturellement réassortante bovine × humaine mais
dont la plupart des gènes sont d’origine animale [44]
. Ces
deux souches sont en cours d’évaluation chez l’homme.
Tableau 2.Les vaccins actuels
Laboratoire Souche Statut du vaccin Réf.
Vaccins commercialisés
Rotashield
®
Wyeth Lederle (USA)*/A.Z. Kapikian Quadrivalent réassortant simien
(RRV) x humain (G1-G4)
Commercialisé aux USA en 1998 [31-34]
Retiré du marché en 1999
LLR Lanzhou Institue of Biological
Products (China)/Z.-S. Bai
Monovalent ovin (G12, P [10]) Commercialisé en Chine (2000)
Vaccins en cours de commercialisation
Rotarix
®
GSK (Belgique)/R. Ward & D.
Bernstein
Monovalent humain (G1, P1A [8]) Autorisé en Europe [35]
En attente d’autorisation aux Etats-Unis
Rotateq
®
Merck (USA)/H.F. Clark & P. Offit Pentavalent réassortant bovin
(WC3) x humain (G1-G4, P1A [8])
Autorisé et recommandé aux Etats-Unis [36]
En attente d’autorisation en Europe
Vaccins en cours de développement
UK-
reassortant
Wyeth Lederle (USA)*/A.Z. Kapikian Hexavalent réassortant bovin x
humain (G1-G4, G8, G9)
Phase 2 [37]
RV3 Univ. de Melbourne/R. Bishop Monovalent humain souche
néonatale (G3, P2A [6])
Phase 2 [38, 39]
116E Bharat BioTech, Ltd (Inde)/
M.K. Bhan & R. Glass
Monovalent humain souche
néonatale (G9, P8 [11])
Phase 1 [40]
I321 Bharat BioTech, Ltd (Inde)/
C.D. Roa & H. Greenberg
Monovalent humain souche
néonatale (G10, P8 [11])
Phase 1 [41]
* devenu American Home Products.
Caractéristiques structurales et antigéniques des rotavirus
mt pédiatrie, vol. 9, Numéro spécial, septembre 2006
44
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