Neonatal vaccination with Bacille Calmette-Guérin strains: Effects in infancy

Denne Ph.D.-afhandling undersøgte betydningen af forskellige BCG stammer for den overordnede sygelighed og dødelighed. Vaccination ved fødslen med Bacille Calmette-Guérin er anbefalet i lande hvor TB og/eller spedalskhed er endemisk og >120 millioner børn bliver vaccineret hvert år. Mens BCG giver god beskyttelse mod de sværeste former for TB yder vaccinen kun beskyttelse i størrelsesordenen 0 til 80% overfor pulmonal TB. Der er voksende evidens fra befolkningsstudier og lodtrækningsstudier der indikerer, at den danske BCG stamme har gavnlige non-specifikke effekter (NSE) som reducerer dødeligheden fra alle årsager på 30-50%. Effekten på risikoen for hospitalsindlæggelse var ikke blevet undersøgt før denne Ph.D.-afhandling. Blandt BCG-vaccinerede børn har dem der udvikler en BCG reaktion på huden og/eller et tuberkulin respons en 30-50% lavere dødelighed end dem uden en reaktion. Karakteristika for de forskellige responstyper har ikke været undersøgt før denne Ph.D.-afhandling. BCG er en levende, svækket vaccine som produceres på en række forskellige laboratorier i verden. Vaccinen er således ikke et standardiseret eller farmakologisk veldefineret produkt. Forskellige BCG formulationer er genetisk forskellige pga. ophobning af genetiske mutationer og forskelle i laboratoriernes produktionsteknik påvirker både det absolutte antal af bakterier og ratioen mellem levende og døde bakterier i de forskellige vacciner. Det er imidlertid uvist om forskellige BCG stammer er bioekvivalente. Den globale markedsandel i 2018 for de genetisk identiske BCG-Danmark og BCG-Green Signal er 24%, BCG-Bulgarien 20%, BCG-Japan 9% og BCG-Rusland 41%. Ingen af disse større BCG stammer er nogensinde blevet evalueret i en randomiseret trial. Pga. BCGs brede anvendelse og de markante NSE har vi undersøgt effekten på overordnet dødelighed og sygelighed og på markører for beskyttelse mod TB og et velfungerende immunforsvar af at yde neonatal vaccination med forskellige BCG stammer i Guinea-Bissau. Vi havde følgende hypoteser:

Hypotese A. BCG vacciner har gavnlige, non-specifikke effekter mht. dødelighed og sygelighed. Eftersom BCG stammer er fænotypisk forskellige er størrelsen på disse effekter Dansk resumé (summary in Danish) XI måske også forskellige. Sammenlignet med BCG-Rusland er vaccination med BCG-Danmark og BCG-Japan associeret med færre indlæggelser, lavere dødelighed blandt indlagte og færre dødsfald.

Hypotese B. Andelen af børn med et BCG ar og et positivt PPD respons er 30% lavere blandt børn vaccineret med BCG-Rusland sammenlignet med BCG-Danmark og BCG-Japan.

Hypotese C. BCG vacciner er kendt for deres sikkerhedsprofil. Eftersom BCG-Danmark og BCG-Japan formentlig er mere potente vacciner har de formentlig en større bivirkningsrate end BCG-Rusland.

I løbet af dataindsamlingen til denne Ph.D. opstod nogle nye idéer. Fra observationer og personlige erfaringer vedr. forskellige BCG hudreaktioner besluttede den Ph.D. studerende sig for at undersøge vigtige af reaktionstypen og størrelsen af tidlige BCG hudreaktioner og effekten af disse reaktionskarakteristika på den efterfølgende overordnede dødelighed. Og pga. input fra vores vaccinatører sammenlignede vi to BCG stammer mht. indholdet af neonatale BCG doser i en vaccineflaske. BCG afsendes fra fabrikanten som en flaske indeholdende frysetørrede bakterier som skal opblandes med en flaske indeholdende 1 ml saltvand. Ifølge fabrikanterne indeholder disse flasker i alt 20 doser BCG à 0.05 ml til børn under et år og ti doser à 0.1 ml til børn over et år og voksne. Det ville dog kun være muligt at udtrække og administrere et sådant antal doser hvis der intet tab af væske forekommer i de forskellige trin, herunder både i sprøjterne anvendt til opblanding og vaccination samt i diluent- og vaccineflaskerne. Vi har undersøgt om det er muligt at udtrække 20 neonataldoser fra BCG-Rusland og BCG-Danmark (Artikel I). Vores erfarne vaccinatører kunne kun udtage 13 til 15 doser fra begge typer vaccineflasker. Dette har vigtige konsekvenser fordi vaccinespild udregnes baseret på antagelsen om at der er 20 doser i flaskerne; vaccinespildet overvurderes derfor og dette medfører uhensigtsmæssige forsinkelser i BCG vaccination forårsaget af restriktive vaccineåbningspolitikker, der er indført for at reducere vaccinespild.

I artikel II har vi supplementeret de eksisterende data vedr. effekten af BCG-Danmark på dødelighed med data på effekten ift. incidensen af hospitalsindlæggelser og dødelighed blandt indlagte på tværs af tre RCTer (6.583 børn). BCG-Danmark påvirkede ikke risikoen for hospitalisering, men reducerede sygdommens sværhedsgrad, idet den neonatale BCG versus ingen-BCG CFR RR var 0.58 (0.35-0.94). Tidlig BCG reducerede særligt risikoen for fatal neonatal sepsis, for hvilket CFR RR var 0.46 (0.22- 0.98). I artikel III undersøgte vi effekten af at give forskellige BCG stammer på sygelighed, dødelighed, BCG hud reaktioner, tuberkulin reaktioner og bivirkninger (ipsilateral lymfadenitis). Vi gennemførte en stor RCT som sammenlignede BCG-Danmark med BCG-Rusland og var planlagt til at inkludere 12.000 nyfødte på HNSMs fødeafdeling. Pga. et produktionsstop i 2015 på BCG produktionsenheden på Statens Serum Institut i København løb vi tør for BCG-Danmark i juli 2016, næsten midtvejs i studiet. Vi havde søgt de nødvendige tilladelser for at udskifte BCG-Danmark med BCG-Japan i resten af studiet og nåede 12.000 inklusioner i oktober 2017. BCG stammerne påvirkede hverken sygeligheden eller dødeligheden ved seksugersalderen, men studiet havde også begrænset statistisk power pga. skiftet i intervention, særligt ift. dødelighedssammenligningen. Der var dog en tendens til færre dødsfald associeret med BCG-Japan og Japan/Rusland MRR var således 0.71 (0.43-1.19). BCG-Danmark og BCG-Japan er sandsynligvis mere immunogene end BCG-Rusland eftersom de gav flere og større BCG hudreaktioner, flere tuberkulinreaktioner, og flere bivirkninger. Disse forskelle mellem stammerne har muligvis vigtige implikationer for  både den specifikke beskyttelse mod TB og for det overordnede helbred (de non-specifikke effekter). Der var indikationer af vigtige forskelle som vi er ved at evaluere i et opfølgningsstudium. Vi fandt en signifikant forskel i andelen af børn med et BCG ar, men meget mindre end hypotesen på en 30% forskel. Der var en tendens til at både BCG-Danmark og BCG-Japan var associeret med flere bivirkninger sammenlignet med BCG-Rusland, men vi manglede power for at nå definitive konklusioner. Prævalensen af BCG ar var høj for alle BCG stammerne. Andelen med et positivt TST respons til 2 TU stimulation var 65% lavere for BCG-Rusland sammenlignet med BCG-Danmark og 46% lavere for BCG-Rusland sammenlignet med BCG-Japan. Forekomsten af bivirkninger (lymfadenitis) blandt børn der blev besøgt i hjemmet var 1.0% for BCG-Danmark versus 0.2% for BCG-Rusland (p=0.12) og 1.2% for BCG-Japan versus 0.0% for BCG-Rusland (p=0.03).

I Artikel IV udforskede vi ideen om at BCGs reaktionskarakteristika påvirker den overordnede dødelighed og at den givne BCG stamme er den vigtigste determinant. I en stor kohorte på 6.012 børn som havde modtaget BCG indenfor en uge efter fødslen havde 97% (5.804/6.012) en BCG hudreaktion ved to måneder og 2-12-måneders mortaliteten var 1.9% blandt børn med en hudreaktion versus 4.8% for dem der ikke havde en hudreaktion. Således var hudreaktioner efter BCG versus ingen hudreaktion associeret med en aMRR på 0.50 (0.26-0.96). Af interesse er det også at mortalitetsrisikoen var omvendt proportional med størrelsen på BCG hudreaktionerne, og risikoen var således 2.9% for børn med små reaktioner, 1.8% for medium reaktioner og 0.8% for store reaktioner. Den tilsvarende stor versus lille reaktion aMRR var således 0.35 (0.20-0.63) og der var en lineær trend af faldende dødelighed for stigende reaktionsstørrelse (p for trend<0.001). Vi konkluderede at den vigtigste determinant både for at udvikle en BCG hudreaktion og størrelsen på reaktionen var den anvendte BCG stamme; BCG-Danmark og BCG-Japan var associeret med flere og større reaktioner end BCG-Rusland.
I Artikel V evaluerede vi effekten af at have en TST reaktion (defineret som >1mm) ved to- og seks måneder versus ingen reaktion på dødeligheden fra alle årsager op til 12 måneder. Alle børn i kohorte havde modtaget BCG i løbet af neonatalperioden. At have en TST reaktion ved to måneder versus ingen reaktion var associeret med en 2-12-måneders aMRR på 0.34 (0.12-0.94). Ved seks måneder var aMRR 0.66 (0.15-2.92). Vi gennemførte en meta-analyse af de tilgængelige studier og på tværs af fire kohorter fra Guinea-Bissau da var en positiv tuberkulin reaktion versus ingen reaktion associeret med en aMRR på 0.56 (0.38-0.83). Tilsvarende var effekten på dødeligheden af at have en reaktion ved 6 måneder versus ingen reaktion en aMRR på 0.63 (0.39-1.00) på tværs af fire kohorter. De vigtigste determinanter for at udvikle en tuberkulinreaktion ved seks måneder var størrelsen af post-vaccinationspaplen (at modtage en stor dosis BCG) og at blive vaccineret med BCG-Danmark eller BCG-Japan og ikke BCG-Rusland. Som konklusion støtter vores fund at BCG har afgørende NSE som øger overlevelsen markant. Disse effekter er tilsyneladende i højere grad på sygdommens sværhedsgrad (risiko for død, risiko for død blandt indlagte) end på incidensen for infektion, eftersom vi ikke fandt en effekt på hospitaliseringsrisikoen. Både at udvikle en BCG reaktion, større reaktionsstørrelse og positive TSTer var associeret med reduceret dødelighed fra alle årsager, og den vigtigste determinant for disse reaktioner var den administrerede BCG stamme. Eftersom alle BCG stammer udløste en vis grad af BCG reaktioner og TST reaktivitet må det være rimeligt at formode at de alle er associeret med en vis grad af gavnlige NSE. En RCT i større skala med tilstrækkelig power til at teste forskelle mellem stammer for både specifikke og non-specifikke endepunkter mangler stadig at blive gennemført. Triangulering af de tilgængelige data tyder imidlertid på at der ville være markante fordele for folkesundheden med få omkostninger ved at:

1) Eliminere restriktive vaccine åbningspolitikker, eller i hvert fald justere beregninger af vaccinespild således at de afspejler det reelle indhold af doser i en 20-dosis flaske.

2) At sikre distribution af BCG-ved-fødslen administreret af veluddannet personale og med monitorering af post-vaccinations papelstørrelser.

3) Prioritering af immunogene stammer såsom BCG-Japan over BCG-Rusland. BCG-Denmark produceret af SSI er ikke længere tilgængelig og den genetisk identiske BCG-Danmark som nu produceres af AJ Vaccines er iflg. vores information ikke blevet undersøgt endnu for sin evne til at inducere BCG ar, TST responser eller non-specifikke effekter.

4) Løbende evaluering af vaccinationsdækningen med BCG, prævalensen af BCG reaktioner, reaktionsstørrelser og TST responser mhp. at sikre høje standarder i vaccinationsprogrammerne. En sådan fremgangsmåde ville kunne detektere om mindre effektive BCG stammer og/eller lav vaccinationskvalitet kompromitterer programmets effektivitet.