Modelování interakce mezi racionálně navrženým syntetickým modelem virových proteinových imunogenů (EAVI2020_01)

Jednou z nejúčinnějších ramen lidského imunitního systému je schopnost velmi nízkých koncentrací protilátkových proteinů vázat se na viry, bakterie a toxiny a „neutralizovat“ jejich aktivitu nebo schopnost infikovat. Na rozdíl od buněčné imunity, která může způsobit destrukci tkáně a patologii, protilátkami zprostředkovaná imunita může být velmi pasivní a přitom zcela zabránit infekci. Způsob, jakým protilátky vážou své cíle, se nesmírně liší, od neužitečných „blokujících“ protilátek nebo úzce zaměřených neutralizačních protilátek až po vysoce ochranné „široce neutralizující“ protilátky (bNAbs), které mohou neutralizovat širokou škálu kmenů stejného patogenu. Takové bNAb jsou zvláště vyhledávané u virových infekcí, jako je HIV, chřipka a další, kde virus mutuje, aby se vyhnul imunitním reakcím, které jsou příliš úzké nebo soustředěné. Protilátky vznikají, když je "imunogen" (imunogen je cokoli, co vyvolává imunitní odpověď, typicky cizí protein) zachycen imunitním systémem a ukázán bílým krvinkám - T a B buňkám - specializovanými imunitními buňkami. V některých případech T a B buňky vážou imunogeny na receptory na svém povrchu a spouští imunitní odpověď, ve které T buňky "pomáhají" B buňkám produkovat specifické protilátky. Události kolem toho, jak je protein zpracován na zvládnutelné kousky, ukázaný T a B buňkám, a vzor chemických signálů produkovaných imunitními buňkami je vysoce komplexní, ale nakonec určuje, jak široká bude protilátková odpověď (její šíři). U infekcí, jako je HIV a chřipka, byly desítky let výzkumu a klinických testů vakcín pouze omezené nebo žádné. Abychom si vzali HIV jako příklad, výzkumníci téměř úplně nerozumí tomu, jak imunogeny interagují s repertoárem naivních lidských B buněčných receptorů (BCR) a drahami nutnými k indukci bNAb během infekce nebo po imunizaci. Zvířecí modely selhaly, protože repertoáry naivních, zárodečně kódovaných, B buněčných protilátkových receptorů nehumánních druhů jsou dostatečně odlišné od těch lidských, aby učinily návrh a výběr vakcíny založené na nehumánních druzích problematickými. Kromě toho mají bNAb izolované z jedinců infikovaných HIV-1 strukturní rysy, které se u jiných savců vyskytují zřídka nebo vůbec, jako jsou neobvykle dlouhé oblasti vázající smyčky (smyčky CDRH3), které jsou nutné k pronikání za glykany na povrchu hrotu obalu, který neutralizační epitopy štítového klíče (Mascola JR 2013). Existuje proto kritická potřeba lépe porozumět v modelech imunitní výzvy v experimentální medicíně u lidí, jak imunogeny a B/T buňky interagují při vývoji ochranných bNAb antivirových odpovědí.

Náš přístup k vyřešení této slepé uličky je vyzvat lidský imunitní systém racionálně navrženými modelovými imunogeny, abychom určili strukturální a další charakteristiky potřebné k řízení lidských B buněčných protilátkových odpovědí směrem k neutralizační šíři. Badatelé vybrali HIV jako experimentální model, protože existuje rozumné pochopení specifičnosti a funkce anti-HIV bNAb, stejně jako naléhavá potřeba identifikovat nové imunizační přístupy po desetiletích neúspěšných nebo málo úspěšných studií. Existuje také rozsáhlá databáze bezpečnosti používání proteinů HIV jako imunogenů a technologická odbornost pro navrhování a výrobu virových proteinů HIV. V našich laboratořích jsou také dobře zavedeny testy na neutralizační aktivitu HIV. Přestože se naše zjištění zaměřují na HIV, budou aplikovatelné i na jiné virové infekce.

Modelové imunogeny navržené ve studiích experimentální medicíny pravděpodobně nebudou vhodné jako vakcíny a jakýkoli klinický vývoj by vyžadoval opakující se cykly zdokonalování designu a vývoje na základě imunologických poznatků získaných z těchto experimentálních výzkumů. Důraz je proto kladen na hloubkovou charakterizaci vyvolané imunitní odpovědi na racionálně navržené modelové imunogeny, které mohou být základem procesu návrhu skutečných vakcín. Tento přístup experimentální medicíny je možný teprve nyní díky bezprecedentnímu pokroku v našich schopnostech studovat lidský imunitní systém a získávat úplné informace o imunitních odpovědích na očkování, protože provádění výzkumu lidského imunitního systému je nyní téměř tak snadné, jako tomu bylo v minulosti. myši. Hlavním cílem této studie bude určit, která z navržených strategií je schopna aktivovat lidské zárodečné (naivní) B buňky a řídit protilátkové reakce směrem k indukci šíře neutralizačních protilátek.

Naše řada modelových imunogenů bude založena na obalovém (Env) glykoproteinu HIV-1, který je jediným cílem neutralizačních protilátek, a proto jediným virově kódovaným imunogenem relevantním pro indukci takových protilátek imunizací. Aby byla zajištěna reprodukovatelnost výsledků a nejvyšší úroveň bezpečnosti dobrovolníků, budou všechny imunogeny vyráběny podle cGMP za použití technik aplikovaných na imunogeny vakcín.

Env má rozsáhlou variabilitu aminokyselin, strukturální a konformační nestabilitu a imunodominanci hypervariabilních oblastí (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Náš tým navrhl rozpustné imunogeny, které úzce napodobují nativní virový trimer in situ, ale které zahrnují designové strategie, které mohou změnit vnitřní mechanismy virového imunitního úniku (Sanders RW, 2013). Env se skládá ze tří identických komplexů (trimerů), z nichž každý obsahuje dvě molekuly, gp120 a gp41, které lze modifikovat za vzniku rozpustné molekuly zvané gp140, na které jsou založeny naše imunogeny. Výzkumníci vyvinuli modelové konsensuální gp140 Env trimery (konsensus všech globálních kmenů) navržené tak, aby aktivovaly odpovědi B buněk na běžné epitopy zastoupené ve všech podtypech HIV-1. Vyšetřovatelé použili dvě designové strategie, aby je stabilizovali v nativní konformaci: ConM SOSIP a ConS UFO. Trimer ConM SOSIP zahrnuje nové mutace, které zahrnují inkorporaci disulfidové vazby mezi ektodoménou gp120 a gp41 (vytvářející gp140), která zabraňuje jejich disociaci na monomerní podjednotky.

ConS UFO obsahuje krátký flexibilní aminokyselinový linker pro spojení podjednotek gp120 a gp41 dohromady jako alternativní strategii k zabránění disociace trimeru Env. Výzkumníci chtějí otestovat oba návrhy, aby určili účinek na repertoár B buněk. K další stabilizaci globální architektury výzkumníci použili přístup zesíťování EDC, u kterého bylo prokázáno, že zachovává epitopy bNAb, snižuje neantivirové protilátkové reakce a zvyšuje celkovou stabilitu imunogenu (Schiffner et al., 2015). V části 1 této studie tedy výzkumníci budou paralelně testovat verze EDC ConM SOSIP a EDC ConS UFO.

Kritickým doplňkem našeho návrhu modelu založeného na konsensu je použití koktejlu tří mozaikových trimerů gp140 Env jako boost (část 2) k překonání imunodominance hypervariabilních oblastí Env a ke stanovení, zda to zaměří protilátkové reakce na konzervované neutralizační epitopy. . I když jsou tyto mozaiky navrženy pomocí počítačových algoritmů, představují autentické struktury Env, které jsou plně funkční a nativní ve své konformaci. Naše nové návrhy mají za cíl eliminovat nežádoucí imunodominantní protilátkové reakce a zaměřit B buňky na vysoce konzervovaná supermísta zranitelnosti na Env, se zvláštním důrazem na kvartérní epitopy bNAb (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). Rozsah, v jakém mohou tyto různé strategie vyvolat neutralizační šířku, a identifikaci příslušných mechanismů a hnacích sil lze určit pouze empiricky prostřednictvím studií provokačních testů lidského imunogenu.