Modellering af interaktionen mellem rationelt designede syntetiske modelvirusproteinimmunogener (EAVI2020_01)

En af de mest effektive arme af det menneskelige immunsystem er evnen hos meget lave koncentrationer af antistofproteiner til at binde sig til vira, bakterier og toksiner og "neutralisere" deres aktivitet eller evne til at inficere. I modsætning til cellulær immunitet, som kan forårsage vævsdestruktion og patologi, kan antistof-medieret immunitet være meget passiv, mens den fuldstændig forhindrer infektion. Hvordan antistoffer binder deres mål varierer enormt, lige fra uhensigtsmæssige "blokerende" antistoffer eller snævert fokuserede neutraliserende antistoffer til stærkt beskyttende "bredt neutraliserende" antistoffer (bNAbs), der kan neutralisere en lang række stammer af det samme patogen. Sådanne bNAb'er er især eftertragtede i virusinfektioner såsom HIV, influenza og andre, hvor virussen muterer for at undgå immunresponser, der er for snævre eller fokuserede. Antistoffer opstår, når et "immunogen" (et immunogen er alt, der inducerer en immunreaktion, typisk et fremmed protein) optages af immunsystemet og vises til hvide blodlegemer - T- og B-celler - af specialiserede immunceller. I nogle tilfælde binder T- og B-cellerne immunogenerne til receptorer på deres overflade, hvilket udløser et immunrespons, hvor T-celler "hjælper" B-celler med at fremstille specifikke antistoffer. Begivenhederne omkring, hvordan proteinet bearbejdes til håndterbare stykker, vist til T- og B-cellerne, og mønsteret af kemiske signaler produceret af immuncellerne er meget komplekse, men afgør i sidste ende, hvor bredt antistofresponset vil være (dets bredde). For infektioner som HIV og influenza har årtiers forskning og kliniske vaccineforsøg haft begrænset eller ingen succes. For at tage HIV som et eksempel, har efterforskere en næsten fuldstændig mangel på forståelse af, hvordan immunogener interagerer med det naive humane B-celle receptor (BCR) repertoire og de veje, der kræves for at inducere bNAbs under en infektion eller efter en immunisering. Dyremodeller har fejlet, da de naive, kimlinjekodede, B-celle-antistofreceptorrepertoirer fra ikke-menneskelige arter er tilstrækkeligt forskellige fra menneskers til at gøre design og udvælgelse af vaccine baseret på ikke-menneskelige arter problematisk. Derudover har bNAb'er isoleret fra HIV-1-inficerede individer strukturelle træk, der forekommer sjældent eller slet ikke i andre pattedyr, såsom usædvanligt lange loop-bindende regioner (CDRH3 loops), der kræves for at penetrere forbi glykaner på overfladen af ​​kappespidsen, som skjoldnøgleneutraliserende epitoper (Mascola JR 2013). Der er derfor et kritisk behov for bedre at forstå, i humane eksperimentelle medicinmodeller af immunudfordring, hvordan immunogener og B/T-celler interagerer i udviklingen af ​​beskyttende bNAb antivirale responser.

Vores tilgang til at løse dette dødvande er at udfordre det menneskelige immunsystem med rationelt designede modelimmunogener for at bestemme de strukturelle og andre egenskaber, der kræves for at drive humane B-celle-antistofresponser mod neutraliseringsbredde. Efterforskere har valgt HIV som en eksperimentel model, da der er en rimelig forståelse for specificiteten og funktionen af ​​anti-HIV-bNAbs, såvel som et presserende behov for at identificere nye immuniseringstilgange efter årtier med mislykkede eller dårligt vellykkede forsøg. Der er også en enorm database over sikkerhed ved brug af HIV-proteiner som immunogener, og den teknologiske ekspertise til at designe og fremstille HIV-virale proteiner. Assays for HIV-neutraliserende aktivitet er også veletablerede i vores laboratorier. Selvom vi fokuserer på HIV, vil vores resultater være anvendelige på andre virusinfektioner.

Det er usandsynligt, at de modelimmunogener, der er foreslået i de eksperimentelle medicinstudier, er egnede som vacciner, og enhver klinisk udvikling vil kræve iterative cyklusser af designforfining og udvikling baseret på immunologiske indsigter fra disse eksperimentelle undersøgelser. Derfor er fokus på dybdegående karakterisering af det fremkaldte immunrespons på rationelt designede modelimmunogener, der kan informere designprocessen af ​​faktiske vacciner. Denne eksperimentelle medicintilgang er først nu mulig på grund af hidtil usete fremskridt i vores evner til at studere det menneskelige immunsystem og til at opnå fuldstændig information om immunresponser på vaccination, da det nu er næsten lige så nemt at udføre forskning i det menneskelige immunsystem, som det har været i mus. Hovedfokus for denne undersøgelse vil være at bestemme, hvilken af ​​designstrategierne, der er i stand til at prime humane kimlinie (naive) B-celler og drive antistofresponser mod induktion af neutraliserende antistofbredde.

Vores udvalg af modelimmunogener vil være baseret på envelope (Env) glycoprotein af HIV-1, som er det eneste mål for neutraliserende antistoffer, og derfor det eneste viralt kodede immunogen, der er relevant for induktion af sådanne antistoffer ved immunisering. For at sikre reproducerbarhed af resultater og det højeste niveau af frivillige sikkerhed, vil alle immunogener blive fremstillet under cGMP, ved hjælp af teknikker anvendt til vaccine immunogener.

Env har omfattende aminosyrevariation, strukturel og konformationel ustabilitet og immundominans af hypervariable regioner (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Vores team designede opløselige immunogener, der tæt efterligner den native virale trimer in situ, men som inkorporerer designstrategier, der kan ændre de iboende virale immunundvigelsesmekanismer (Sanders RW, 2013). Env er opbygget af tre identiske komplekser (trimere), som hver indeholder to molekyler, gp120 og gp41, der kan modificeres til at lave et opløseligt molekyle kaldet gp140, som vores immunogener er baseret på. Efterforskere har udviklet model konsensus gp140 Env trimere (konsensus af alle globale stammer) designet til at prime B celle responser på fælles epitoper repræsenteret i alle HIV-1 subtyper. Efterforskere har brugt to designstrategier til at stabilisere disse i en indfødt-lignende konformation: ConM SOSIP og ConS UFO. ConM SOSIP-trimeren inkluderer hidtil ukendte mutationer, der inkluderer inkorporering af en disulfidbinding mellem gp120- og gp41-ektodomænet (der udgør gp140), som forhindrer deres dissociering i monomer-underenheder.

ConS UFO inkluderer en kort fleksibel aminosyrelinker til at binde gp120- og gp41-underenhederne sammen som en alternativ strategi til at forhindre dissociation af Env-trimeren. Efterforskere ønsker at teste begge designs for at bestemme effekten på B-celle repertoire. For yderligere at stabilisere global arkitektur anvendte efterforskerne en EDC-tværbindingstilgang, der har vist sig at bevare bNAb-epitoper, reducere ikke-antivirale antistofresponser og forbedre den overordnede immunogenstabilitet (Schiffner et al., 2015). I del 1 af denne undersøgelse vil efterforskere således teste EDC ConM SOSIP og EDC ConS UFO-versioner parallelt.

Et kritisk supplement til vores konsensusbaserede modeldesign er at bruge en cocktail af tre mosaik gp140 Env trimere som et boost (del 2) for at overvinde immunodominansen af ​​hypervariable regioner af Env og for at bestemme, om dette vil fokusere antistofresponser mod konserverede neutraliseringsepitoper . Selvom de er designet ved hjælp af computeralgoritmer, repræsenterer disse mosaikker autentiske Env-strukturer, der er fuldt funktionelle og oprindelige i deres konformation. Vores nye designs sigter mod at eliminere uønskede immundominante antistofresponser og fokusere B-celler mod stærkt konserverede supersites af sårbarhed på Env, med særlig vægt på kvaternære bNAb-epitoper (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). I hvilket omfang disse forskellige strategier kan inducere neutraliserende bredde, og identifikation af de involverede mekanismer og drivere, kan kun bestemmes empirisk gennem humane immunogen-udfordringsundersøgelser.