L'apport du laboratoire en vaccmologie Art ic le

INTI:RI TS ET LIMITES DES I TUDES SI RO-I PIDI MIOLOGIQUES EN VACCINOLOGIE

Rachel Haus-Cheymol a,,, Antoine Mayet a, Jean-Louis Koeck b, Franck Berger a, Bruno Massit a, Xavier Deparis a, Catherine Verret a, Yves Buisson c, Andre Spiegel a

R(~sum(~

Les etudes sero-epidemiologiques peuvent se definir comme

des enquetes epidemiologiques visant & obtenir des informations sur le statut serologique d'une population. Ces enquetes ont de nombreuses applications en vaccinologie, notamment pour choisir une strategie vaccinale. Suivant I'objectif recherche, differents types d'enquetes serologiques peuvent 6tre realises : etudes pre-vaccinales de seroprevalence cherchant & estimer la proportion de sujets susceptibles ou proteges vis-A-vis d'un agent pathogene dans la population, etudes post-vaccinales d'immunogenicite destinees & mesurer I'immunogenicite d'un vaccin (& court ou long terme) ou & evaluer le niveau de protection d'une population. Pour obtenir des resultats valides, ces etudes necessitent une stricte definition des objectifs en concertation entre epidemiolo- gistes et biologistes afin de determiner le type d'etude & realiser, de selectionner un echantillon representatif et de choisir la methode de dosage des anticorps la mieux adaptee. En complement de ces etudes, il existe des etudes d'efficacite epidemiologique. Ces etudes ne necessitent pas de prelevement biologique mais reposent sur la determination du statut de chaque sujet vis-a-vis du vaccin et de la maladie et permettent notamment d'evaluer I'efficacite d'un programme de vaccination.

Vacc in - ( ~p iddmio log ie - s 6 r o c o n v e r s i o n - s 6 r o p r 6 v a l e n c e -

i m m u n o g 6 n i c i t 6 - e f f i cac i t6 vacc ina le .

S u m m a r y : A d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f s e r o l o g i c

s t u d i e s in v a c c i n o l o g y

This paper examines the role of serologic studies in vaccinology. Serologic studies are useful to the evaluation of vaccines against infectious diseases by: i) determining the proportion of vaccinated persons with detectable antibodies at a protective level (seropre-

a.Departement d'epidemiologie et de sante publique Nord Ecole du Val-de-Gr&ce 69, av. de Paris-Saint-Mand~ 11St Begin - B&timent 18 00498 Armees b Laboratoire de biologie medicale Hepital d'lnstruction des Armees Robert-Picque - Bordeaux c Institut de m~decine tropicale du Service de sante des Armees Le Pharo - Marseille

* Correspondance rachel.cheymol@wanadoo.fr ou desp.valecole@wanadoo.fr

article re~u et accepte le 16 mars 2006,

�9 Elsevier SAS.

valence study), ii) assessing the proportion of persons without detectable antibodies initially who develop antibodies (short term seroconversion), iii) estimating vaccine-induced long-term immu- nogenecity. Collaboration between biologists and epidemiologists is needed to obtain representative results in sero-epidemiologic studies and for choosing the best adjusted study method and biologic test. The effectiveness of vaccine, defined as the propor- tionate reduction in the risk of infection among vaccinees that was attributable to vaccination can be studied by epidemiologic studies too. Effectiveness is measured using case-control and cohort studies and allows to assess the impacts of mass program

immunisation.

V a c c i n e - e p i d e m i o l o g y - s e r o c o n v e r s i o n - s e r o p r e v a l e n c e -

i m m u n o g e n e c i t y - e f f icacy - e f f e c t i v e n e s s .

1. Introduction

L es etudes sero-epidemiologiques peuvent se definir comme des enquetes epidemiologiques visant & obtenir des informations sur

le statut serologique d'une population. Ces enquetes, qui constituent un outil indispensable pour I'epidemiologie des maladies infectieuses, ont aussi de nombreuses applications en vaccinologie, notamment pour determiner la proportion de sujets receptifs & une maladie evitable par la vaccination (enquetes pre-vaccinales) ou pour juger de I'immuno- genicite d'un vaccin (enqu~.tes post-vaccinales).

L'objectif de ce travail est de decrire les differentes etapes necessaires & la mise en oeuvre d'enqu~tes sero-epidemiologiques.

2. Definir les objectifs

Differents types d'enquetes pre ou post vaccinales existent suivant I'ob- jectif fix&

2.1. Les enqu~ tes pre-vacc ina les

Ce sont des enqu~tes descriptives visant & estimer la proportion de sujets susceptibles ou proteges contre I'agent pathog~ne afin de defi- nir une strategie de vaccination. Ainsi, les enquetes serologiques deter- minant la seroprevalence des anticorps contre le virus de I'hepatite A (anti-VHA) successivement realisees en 1985, 1990, 1993 et 1997 aupres d'echantillons de jeunes recrues du Service national ont-elles revele la decroissance du niveau d'endemicite de I'hepatite A en France dans toutes les classes socio-economiques [I0]. En 199?, le taux de prevalence des anticorps anti-VHA & I'&ge de 20 ans passait sous le niveau symbolique de 10 O/o. Cette baisse de I'immunit~ collective a pour consequence une plus grande receptivite des jeunes adultes &

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L'apport du laboratoire en vaccinolog#e

I'infection. Cette observation a ete & la base de la decision, au sein des arrnees, d'introduire la vaccination contre I'hepatite A en 1994 pour les personnels appeles & servir outre-mer puis de la generaliser & tout le personnel militaire en 1999.

2.2. Les enqu6tes post-vaccinales

2.2.1. Les enqu~tes destinies ~ mesurer rimmunog~nicit~ d'un vaccin

La vaccination consiste & provoquer, chez un individu receptif & un agent pathogene, une reaction aboutissant & un etat d'immunite en introduisant dans son organisme I'antigene correspondant, modifie de telle sorte qu'il ne provoque aucun effet nefaste, l'immunogenicite est la capacite d'un antigene & induire une reponse immunitaire protec- trice. En pratique, elle est appreciee par la capacite du vaccin & induire, chez le vaccine, la production et la persistance d'anticorps specifiques neutralisants au-del& d'un seuil considere comme protecteur.

~.2.2. Les enqu#.tes destinies ~ ~valuer le niveau de protection dune population

Ces enqu~tes completent les donnees de la surveillance epidemio- Iogique et la connaissance de la couverture vaccinale pour I'evalua- tion d'un programme de vaccination [7, 17]. Ainsi, darts un contexte d'elimination d'une maladie, Iorsque qu'une couverture vaccinale ele- vee est atteinte, les enquetes de s~roprevalence permettent d'apprecier le niveau de protection de la population. En effet, I'absence de cas pen- dant une Iongue periode peut suggerer que I'objectif d'elimination a ete atteint alors qu'une sous-population susceptible se reconstitue avec des sujets ayant echappe & la vaccination ou n'ayant pas developpe d'imrnunite post-vaccinale. Cette periode, appelee ~ lune de miel ,, s'acheve par la survenue d'une epidemie Iorsque la proportion de sujets susceptibles depasse un seuil critique. Les enquetes de seropreva- lence permettent de prevenir cette situation en declenchant, Iorsque c'est necessaire, un renforcement de la couverture vaccinale. La stra- tegie vaccinale contre la rougeole en France illustre ce phenomene de lune de miel. En effet, si le vaccin utilise en France est de bonne qualite puisque les mesures d'efficacite vaccinale faites Iors d'inves- tigations de cas groupes ont toujours ete au-del& de 90 %, la cou- verture vaccinale n'est pas assez elevee pour eviter I'accumulation de sujets susceptibles comme le confirment les etudes serologiques et I'eclosion de foyers epidemiques [3]. La surveillance de la receptivite des populations par des enquetes de seroprevalence apres la raise en place d'un programme de vaccination est donc un outil trbs utile au suivi du niveau de contrele de la maladie [10, 17]. En France, le vaccin contre la rougeole a ete introduit dans le calendrier vaccinal en 1983 chez les enfants &ges de 12-15 mois. En 1996, une seconde dose, justifiee par la perspective d'elimination de la maladie, a ete intro- duite pour les enfants &ges de 11 & 13 ans. Cette seconde dose de vaccin ne constitue pas un rappel, I'immunite conferee par la premiere dose etant de Iongue duree. Sa justification repose sur le rattrapage des echecs primaires de la vaccination (5 & 10 o/0 d'echecs apres une premiere dose) et sur I'offre d'une seconde occasion de vaccination pour les enfants n'ayant pas re?u la prem!ere dose. La seconde dose permet de maintenir la proportion de susceptibles au-dessous de la valeur seuil correspondant au risque epidemique [3, 12].

Les resultats de ces etudes de s~roprevalence en population sont ega- lement necessaires pour la construction de modbles mathematiques destines & estimer I'incidence future de differentes maladies & pre- vention vaccinale, d'identifier les points forts et les points faibles des programmes de vaccination existants et d'examiner les implications de nouvelles politiques de contrSle [3, 9]. Ainsi, darts le cadre du plan d'eli- mination de la rougeole en France, I'absence de disponibilite de modeles mathematiques Iors de la decision de I'&ge de la deuxieme vaccination contre la rougeole avait conduit & privilegier des consi-

derations Iogistiques sur la double justification, d'une part de I'exis- tence dans le calendrier vaccinal d'une indication de vaccination contre les oreillons et la rubeole & cet &ge, d'autre part du souhait de pro- teger les preadolescents depourvus d'immunite naturelle ou vaccinale [12]. En 1997, des travaux de modelisation ont finalement montre que I'elimination de la rougeole serait plus rapide en avan?ant I'&ge de la seconde dose. Celle-ci a donc ete recommandee d'abord entre 3 et 6 ans [12] puis avancee en 2005 au cours de la deuxibme annee de vie, soit entre 13 et 24 mois.

3. Choisir une m~thode d'enqu6te

3.1. Enquetes de seroprevalence

Ces enqu6tes pre ou post vaccinales sont menees sur des echantillons representatifs de la population et ne necessitent qu'un seul preleve- ment biologique pour chaque sujet faisant partie de I'echantillon. La prevalence des anticorps diriges contre un agent pathogene au sein de la population (seroprevalence) est estimee par un intervalle de confiance calcule & partir de la seroprevalence observee sur l'echan- tillon. La precision de I'estimation de la seroprevalence depend de deux facteurs : le risque d'erreur accepte (en pratique le plus souvent fixe & 5 %) et la taille de I'echantillon. Plus la taille de I'echantillon est ele- vee, meilleure est la precision de I'estimation [1].

3.2. Enqur d ' immunogenic i t6

On distingue les etudes contr61ees et les etudes de terrain. Les etudes contrelees sont realisees dans des conditions ideales par rapport aux conditions d'utilisation futures sur le terrain : parfaite maftrise de la chaine du froid, selection d'un echantillon de sujets en parfaite sante pouvant participer & I'essai, realisation de la vaccination selon des stan- dards techniques trbs stricts (lieu d'injection, vole d'injection...), res- pect des schemas vaccinaux, notamment des delais entre les doses. Ces etudes entrent dans le cadre des etudes cliniques de phase 3 qui precedent I'autorisation de raise sur le marche (AMM) d'un nou- veau vaccin et permettent de comparer I'immunogenicite & court terme de deux vaccins.

Les etudes de terrain sont menees au sein de la population cible de la vaccination & partir d'enquetes d'observation et vise & evaluer I'im- munogenicite & long terme dans les conditions d'utilisation reelle du vaccin [14]. C'est le cas d'une etude publiee recemment et portant sur 220 enfants &ges entre 1 et 3 ans, initialement sans anticorps anti- hepatite A, vaccines et suivis afin d'etudier la cinetique des anticorps 2 mois, 12 mois, 6 ans et 10 ans aprbs la vaccination [20].

4. Constituer et suivre un echantillon

4.1. Enquetes de seroprevalence

La difficulte principale de ce type d'etude reside dans la constitution d'un echantillon representatif de la population. En effet, le processus de selection des individus ne doit pas proceder d'un choix subjectif et doit ~,tre independant des caracteristiques des individus. C'est le hasard, donc le tirage au sort, qui doit determiner quels sont les sujets qui feront partie de I'echantillon. Ceci est obtenu Iors de la realisation de sondages aleatoires ou chaque individu doit avoir la meme pro- babilite d'etre design& De nombreuses methodes de sondages alea- toires existent : sondage elementaire, sondage systematique, sondage & plusieurs degres, sondage en grappes, sondage stratifie... [1]. Le choix du type de sondage depend de plusieurs facteurs, notamment

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Dossier scienfifique Article

L'apport du faborato~re en vaccinologie

de I'existence d'une base de sondage (liste des sujets constituant la population) et des moyens Iogistiques disponibles.

La selection aleatoire des sujets minimise les biais de selection mais la repr6sentativite doit etre preservee dans la suite de I'~tude. La dif- ficult~ suivante est I'obtention du consentement des sujets tires au sort. En effet, la realisation d'un pr6levement sanguin etant le plus souvent necessaire, le refus de certains sujets peut entrafner un biais dans I'es- timation de la seroprevalence. Uaccord est le plus souvent obtenu Iorsque la methode de pr~levement est jugee peu invasive (preleve- ment de sang capillaire au bout du doigt...) ou Iorsque I'echantillon de sang peut etre obtenu au cours d'un prelevement sanguin auquel le sujet se soumet par ailleurs (accouchement, grossesse, bilan de sante...).

Le coot de ces etudes n'est pas n6gligeable car elles necessitent du personnel pour I'elaboration du plan de sondage, la collecte des pre- levements et le traitement d'un grand nombre d'~chantillons sanguins.

4.2. Enqu6tes d ' immunogenic i te

Lors des etudes contrelees visant & comparer deux vaccins, le seul moyen d'assurer la comparabilit6 initiale des deux groupes est I'at- tribution des differents vaccins par tirage au sort une fois le consen- tement des sujets obtenus. Ensuite, il faut veiller & ce que la vac- cination et revaluation du critere de jugement soient faites de fa?on identique dans les differents groupes pour maintenir leur compa- rabilit~ tout au long de I'essai. Pour cela, I'essai est congu en aveugle (simple aveugle si seul le sujet ignore la nature de la vac- cination administree ; double aveugle si le biologiste, mesurant les titres en anticorps et le sujet ignorent la nature de la vaccination administree) [11 ]. Quand il n'existe pas de vaccin d'efficacite prou- vee pour prevenir I'infection ou la maladie (infection par le virus de I'immunodeficience humaine, paludisme...), le recours & un placebo pour le groupe temoin peut etre acceptable. Cependant, afin de pal- lier I'absence d'avantages pour les sujets que le hasard a place dans le groupe placebo, il est recommande d'utiliser & la place du pla- cebo un autre vaccin (tetanos, hepatite B ...). II conviendra d'ana- lyser si ce choix est approprie en fonction des exigences scienti- fiques de I'essai, des besoins de la population participante et de I'equilibre des risques et des benefices entre les differents groupes de I'essai [5].

Ces etudes contrelees ont cependant un caractere limite, & la fois dans le temps du suivi des sujets vaccines (duree de I'immunite non

mesuree), dans I'espace (variations geographiques non prises en consideration) et egalement par le type de populations etudiees (&ge, pathologies ou traitements associes) qui influencent la reponse immunitaire [17]. Ainsi, I'efficacite serologique de la vaccination anti- grippale, souvent evaluee dans des populations d'adultes jeunes s'est rr moins elev6e Iorsqu'elle a ete mesuree chez des per- sonnes &gees [17]. II est donc utile, une fois le vaccin integre dans un calendrier vaccinal & large echelle, de verifier son pouvoir pro- tecteur dans des conditions de terrain et non plus dans des condi- tions ,, ideales ~ de pre AMM.

5. Choisir une m( thode serologique

Les etudes sero-epidemiologiques ne sont envisageables que Iors- qu'une methode serologique valide est disponible. Les anticorps mesu- res doivent etre specifiques de la maladie etudiee et leurs titres, pre- dictifs du niveau de protection conferee. Dans le cas contraire, ces etudes peuvent etre particulierement delicates comme c'est le cas pour la coqueluche [6], meme si des rr rr semblent indiquer une certaine correlation entre le titre en anticorps et le niveau de pro- tection conferee [15, 18].

5.1. Ant icorps temoins et ant icorps protecteurs

Les enquetes de seropr6valence visant & decrire I'etat immunitaire d'une population vis-a.-vis d'un agent pathogene doivent tenir compte de la persistance des anticorps apres la primo-infection et de leur capacit6 protectrice. IIs peuvent 6tre la cicatrice serologique d'une infection ancienne, sans pouvoir neutralisant (anticorps contre la grippe). Inversement, une immunite durable, mediee par les lympho- cytes memoire, peut persister en I'absence de tout anticorps detec- table.

Les m6thodes s~rologiques utilisees pour mesurer la protection induite par les vaccins ne sont pas les memes que les tests employes pour le diagnostic des infections correspondantes. Ainsi, les trousses com- mercialis~es pour la detection des anti-VHA ne sont pas appropriees pour le titrage des anticorps neutralisants d~veloppes apres vaccination contre I'hepatite A, les seuls & prendre en consideration pour mesu- rer I'immunite post-vaccinale. De plus, le dosage des anticorps seriques n'etudie qu'une des composantes de la reponse immunitaire et ne reflete que tres imparfaitement la protection obtenue surtout quand les lymphocytes mOmoire ou les immunoglobulines secretoires contri- buent a cette protection. A titre d'exemple, les IgA secretoires (IgAs) constituent une barriere locale & I'infection par le poliovirus, mais on

ne conna~ pas le taux d'lgAs assurant cette protection. La relation entre titres d'anticorps seriques et titres d'anticorps secretoires n'est pas claire. Les enfants pourraient resister & une reinfection meme en I'ab- sence d'anticorps sOriques si leur titre d'anticorps secretoires est suf- fisamment 6lev6 [8].

5.2. Mesure de I ' immunogenic i t6

I 'immunogenicitr d'un vaccin peut etre appreciee de differentes fa?ons.

5.2.1. Le taux de s~roconversion

C'est la proportion de vaccines, initialement sans anticorps, qui acquie- rent, suite & la vaccination, un titre en anticorps supOrieur & un seuil considere comme protecteur. II faut donc prelever deux ~chantillons de sang, le premier pour d~pister et ecarter les sujets dej& immuns, le second deux & six semaines apres la vaccination. L'intervalle entre les deux prelevements dolt etre aussi court que possible afin de reduire la probabilite d'une infection naturelle intercurrente. Toutefois, les etudes de s~roconversion ne sont possibles que Iorsque la mesure des anticorps protecteurs est techniquement realisable et que le niveau du seuil protecteur est connu. Ainsi pour le vaccin anti-m~ningococ- cique du groupe C oligosidique conjugu6 utilisable chez le nourrisson & partir de I'&ge de 2 mois, chez I'enfant et I'adulte, le seuil de protection n'est pas definitivement ~tabli et plusieurs publications r~centes le reevaluent [2, 4].

5 . 2 . 2 . La cin~tique des anticorps

Les etudes serologiques permettent 6galement d'evaluer la cinetique des anticorps en determinant la moyenne g~ometrique des titres d'an- ticorps dans une population vaccinee au cours des semaines, des mois et des annees suivant la vaccination [20]. Des enquetes d'immuno- genicit6 vaccinale & long terme peuvent 6tre r~alis~es de maniere pros- pective en suivant un groupe de vaccines durant plusieurs annees. Le risque d'observer de nombreux perdus de vue est une limite de ce type d'enquete. Une autre methode consiste & 6tudier la cin~tique de la decroissance des anticorps par une etude transversale dans des groupes de sujets vaccines selon des d~lais diff~rents.

L'immunog~nicite & long terme peut egalement etre approch~e & I'aide de modeles mathematiques. La moyenne geometrique des titres en anticorps est calcul~e apres vaccination et un modele mathematique est ensuite construit afin de d~crire la decroissance des titres en anti- corps. Ceci permet d'estimer la dur6e de la persistance d'un titre en

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anticorps superieur au seuil de protection et donc la necessite ou le moment ideal d'un rappel ou d'une revaccination [14, 19]. Les resul- tats de ces ~tudes ~. long terme peuvent etre influences par le contact avec I'agent pathogene en circulation qui, par les rappels naturels, conduira & surestimer la duree de la protection [14, 20]. Ainsi, pour ~valuer la protection & long terme induite par le vaccin hepatite A, I'OMS recommande que les etudes soient realisees dans les pays & faible end~micite o~J le systeme immunitaire ne serapas stimule par le virus en circulation [16, 19].

6. Conclusion

L es etudes sero-epidemiotogiques presentent un interet majeur en vaccinologie. Suivant I'objectif recherche, differents types d'en-

qur serologiques peuvent 6tre realises : etudes pre-vaccinales de seroprevalence, etudes post-vaccinales d'immunogenicite realisees de fagon contrelees ou sur le terrain & court ou & long terme. Ces methodes ont toutefois leurs limites. La mauvaise acceptabilite des prelevements sanguins dolt inciter & developper les methodes de detection des anticorps salivaires. La recherche de parametres immu- nologiques plus prr d'une protection post-vaccinale que le taux

des anticorps est necessaire pour certaines maladies comme I'he- patite B. La difficulte de constituer un echantillon representatif, le choix d'une technique serologique adaptee imposent une collaboration etroite entre epidemiologistes et biologistes et une definition precise des objectifs de sante publique avant toute enquete sero-epide- miologique.

En complement des etudes sero-epidemiologiques, il existe des etudes d'efficacite epiddmiologique. Elles permettent d'estimer I'efficacite 6pi- d~miologique qui est defini comme la capacite d'un vaccin & reduire la frequence de la maladie chez les sujets vaccines. Ces etudes epi- demiologiques ne necessitent pas de prelevements biologiques et reposent sur la determination du statut de chaque sujet vis-&-vis du vaccin et de la maladie. Ces ~tudes peuvent 6tre soit des etudes de cohorte permettant de catculer les taux d'attaque chez les vaccines et les non vaccines, soit des etudes cas-temoins qui comparent la fre- quence de la vaccination chez des sujets ayant presente la maladie (cas) & celle des sujets indemnes de la maladie (temoins) [13]. Les resultats de ces etudes d'efficacite vaccinale peuvent ~tre influences par les criteres de definitions des cas (sensibilite, specificite), I'exis- tence de formes asymptomatiques de la maladie, la determination du statut vaccinal et les differences d'exposition au risque de la maladie entre vaccines et non vaccines.

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