Modellierung der Wechselwirkung zwischen rational entworfenen synthetischen Modellviralprotein-Immunogenen (EAVI2020_01)

Einer der wirksamsten Arme des menschlichen Immunsystems ist die Fähigkeit sehr niedriger Konzentrationen von Antikörperproteinen, an Viren, Bakterien und Toxine zu binden und deren Aktivität oder Infektionsfähigkeit zu „neutralisieren“. Im Gegensatz zur zellulären Immunität, die Gewebezerstörung und Pathologie verursachen kann, kann die Antikörper-vermittelte Immunität sehr passiv sein und gleichzeitig eine Infektion vollständig verhindern. Wie Antikörper ihre Ziele binden, ist sehr unterschiedlich und reicht von nicht hilfreichen „blockierenden“ Antikörpern oder eng fokussierten neutralisierenden Antikörpern bis hin zu hochgradig schützenden „breit neutralisierenden“ Antikörpern (bNAbs), die eine Vielzahl von Stämmen desselben Pathogens neutralisieren können. Solche bNAbs sind besonders gefragt bei Virusinfektionen wie HIV, Influenza und anderen, bei denen das Virus mutiert, um zu engen oder fokussierten Immunantworten auszuweichen. Antikörper entstehen, wenn ein „Immunogen“ (ein Immunogen ist alles, was eine Immunantwort auslöst, typischerweise ein fremdes Protein) vom Immunsystem aufgenommen und von spezialisierten Immunzellen den weißen Blutkörperchen – T- und B-Zellen – gezeigt wird. In einigen Fällen binden die T- und B-Zellen die Immunogene an Rezeptoren auf ihrer Oberfläche und lösen so eine Immunantwort aus, bei der T-Zellen den B-Zellen helfen, spezifische Antikörper herzustellen. Die Ereignisse rund um die Verarbeitung des Proteins zu handhabbaren Stücken, die den T- und B-Zellen gezeigt werden, und das Muster der von den Immunzellen erzeugten chemischen Signale sind hochkomplex, bestimmen aber letztendlich, wie breit die Antikörperantwort sein wird (ihre Breite). Bei Infektionen wie HIV und Influenza hatten jahrzehntelange Forschung und klinische Impfstoffversuche nur begrenzten oder keinen Erfolg. Um HIV als Beispiel zu nehmen, fehlt es den Ermittlern fast vollständig an Verständnis dafür, wie Immunogene mit dem naiven Repertoire menschlicher B-Zell-Rezeptoren (BCR) interagieren und welche Wege erforderlich sind, um bNAbs während einer Infektion oder nach einer Immunisierung zu induzieren. Tiermodelle sind gescheitert, da sich die naiven, keimbahnkodierten B-Zell-Antikörperrezeptor-Repertoires nicht-menschlicher Arten ausreichend von denen des Menschen unterscheiden, um das Design und die Auswahl von Impfstoffen auf der Grundlage nicht-menschlicher Arten problematisch zu machen. Darüber hinaus haben aus HIV-1-infizierten Personen isolierte bNAbs strukturelle Merkmale, die bei anderen Säugetieren selten oder gar nicht vorkommen, wie z Schildschlüssel neutralisierende Epitope (Mascola JR 2013). Es besteht daher ein dringender Bedarf, in humanexperimentellen medizinischen Modellen der Immunprovokation besser zu verstehen, wie Immunogene und B/T-Zellen bei der Entwicklung von schützenden antiviralen bNAb-Antworten interagieren.

Unser Ansatz zur Lösung dieser Sackgasse besteht darin, das menschliche Immunsystem mit rational entworfenen Modellimmunogenen herauszufordern, um die strukturellen und anderen Eigenschaften zu bestimmen, die erforderlich sind, um die Antikörperreaktionen menschlicher B-Zellen in Richtung einer Neutralisierungsbreite zu treiben. Forscher haben HIV als experimentelles Modell ausgewählt, da es ein vernünftiges Verständnis über die Spezifität und Funktion von Anti-HIV-bNAbs gibt und es dringend erforderlich ist, nach Jahrzehnten fehlgeschlagener oder wenig erfolgreicher Versuche neue Immunisierungsansätze zu identifizieren. Es gibt auch eine riesige Datenbank zur Sicherheit bei der Verwendung von HIV-Proteinen als Immunogene und das technologische Know-how, um virale HIV-Proteine ​​zu entwickeln und herzustellen. Assays für die HIV-neutralisierende Aktivität sind in unseren Labors ebenfalls gut etabliert. Obwohl wir uns auf HIV konzentrieren, werden unsere Ergebnisse auch auf andere Virusinfektionen anwendbar sein.

Die in den experimentellen Medizinstudien vorgeschlagenen Modellimmunogene sind wahrscheinlich nicht als Impfstoffe geeignet, und jede klinische Entwicklung würde iterative Zyklen der Designverfeinerung und -entwicklung auf der Grundlage der aus diesen experimentellen Untersuchungen gewonnenen immunologischen Erkenntnisse erfordern. Daher liegt der Schwerpunkt auf der eingehenden Charakterisierung der ausgelösten Immunantwort auf rational entworfene Modellimmunogene, die den Designprozess tatsächlicher Impfstoffe beeinflussen können. Dieser experimentelle medizinische Ansatz ist erst jetzt möglich aufgrund beispielloser Fortschritte in unseren Fähigkeiten, das menschliche Immunsystem zu untersuchen und vollständige Informationen über Immunantworten auf Impfungen zu erhalten, da die Erforschung des menschlichen Immunsystems heute fast so einfach ist wie früher Mäuse. Das Hauptaugenmerk dieser Studie wird darauf liegen, zu bestimmen, welche der Designstrategien in der Lage ist, menschliche (naive) B-Zellen in der Keimbahn zu primen und Antikörperreaktionen in Richtung Induktion einer neutralisierenden Antikörperbreite zu lenken.

Unser Angebot an Modellimmunogenen basiert auf dem Hüllglykoprotein (Env) von HIV-1, das das einzige Ziel neutralisierender Antikörper und daher das einzige viral codierte Immunogen ist, das für die Induktion solcher Antikörper durch Immunisierung relevant ist. Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und die größtmögliche Sicherheit der Freiwilligen zu gewährleisten, werden alle Immunogene unter cGMP hergestellt, wobei Techniken verwendet werden, die auf Impfstoff-Immunogene angewendet werden.

Env weist eine umfangreiche Aminosäurevariation, strukturelle und konformative Instabilität und Immundominanz hypervariabler Regionen auf (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Unser Team hat lösliche Immunogene entwickelt, die das native virale Trimer in situ genau nachahmen, aber Designstrategien beinhalten, die die intrinsischen viralen Immunevasionsmechanismen verändern können (Sanders RW, 2013). Env besteht aus drei identischen Komplexen (Trimeren), von denen jeder zwei Moleküle enthält, gp120 und gp41, die modifiziert werden können, um ein lösliches Molekül namens gp140 zu bilden, auf dem unsere Immunogene basieren. Forscher haben Modellkonsens-gp140-Env-Trimere (Konsens aller globalen Stämme) entwickelt, die darauf ausgelegt sind, B-Zell-Antworten auf gemeinsame Epitope zu primen, die in allen HIV-1-Subtypen vertreten sind. Forscher haben zwei Designstrategien verwendet, um diese in einer nativen ähnlichen Konformation zu stabilisieren: ConM SOSIP und ConS UFO. Das ConM-SOSIP-Trimer umfasst neue Mutationen, die den Einbau einer Disulfidbindung zwischen der gp120- und gp41-Ektodomäne (die gp140 bilden) umfassen, die ihre Dissoziation in Monomer-Untereinheiten verhindert.

Das ConS UFO enthält einen kurzen flexiblen Aminosäurelinker, um die gp120- und gp41-Untereinheiten als alternative Strategie zur Verhinderung der Dissoziation des Env-Trimers miteinander zu verbinden. Forscher möchten beide Designs testen, um die Wirkung auf das B-Zell-Repertoire zu bestimmen. Um die globale Architektur weiter zu stabilisieren, verwendeten die Forscher einen EDC-Crosslinking-Ansatz, der nachweislich bNAb-Epitope konserviert, nicht-antivirale Antikörperreaktionen reduziert und die allgemeine Immunogenstabilität verbessert (Schiffner et al., 2015). Daher werden die Ermittler in Teil 1 dieser Studie die Versionen von EDC ConM SOSIP und EDC ConS UFO parallel testen.

Eine entscheidende Ergänzung zu unserem konsensbasierten Modelldesign ist die Verwendung eines Cocktails aus drei Mosaik-gp140-Env-Trimeren als Boost (Teil 2), um die Immundominanz hypervariabler Regionen von Env zu überwinden und zu bestimmen, ob dies die Antikörperantworten auf konservierte Neutralisationsepitope fokussieren wird . Obwohl diese Mosaike mit Computeralgorithmen entworfen wurden, stellen sie authentische Env-Strukturen dar, die voll funktionsfähig und in ihrer Konformation nativ sind. Unsere neuartigen Designs zielen darauf ab, unerwünschte immundominante Antikörperantworten zu eliminieren und B-Zellen auf hochkonservierte Supersites der Anfälligkeit auf Env zu fokussieren, mit besonderem Schwerpunkt auf quartären bNAb-Epitopen (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). Das Ausmaß, in dem diese unterschiedlichen Strategien eine neutralisierende Breite induzieren können, und die Identifizierung der beteiligten Mechanismen und Treiber kann nur empirisch durch menschliche Immunogen-Challenge-Studien bestimmt werden.