Modelado de la interacción entre inmunógenos de proteínas virales de modelos sintéticos diseñados racionalmente (EAVI2020_01)

Una de las armas más eficaces del sistema inmunitario humano es la capacidad de concentraciones muy bajas de proteínas de anticuerpos para unirse a virus, bacterias y toxinas y "neutralizar" su actividad o capacidad para infectar. A diferencia de la inmunidad celular, que puede causar la destrucción y la patología de los tejidos, la inmunidad mediada por anticuerpos puede ser muy pasiva, mientras previene por completo la infección. La forma en que los anticuerpos se unen a sus objetivos varía enormemente, desde anticuerpos de "bloqueo" inútiles o anticuerpos neutralizantes de enfoque limitado, hasta anticuerpos altamente protectores "ampliamente neutralizantes" (bNAbs) que pueden neutralizar una amplia gama de cepas del mismo patógeno. Dichos bNAbs son especialmente buscados en infecciones virales como el VIH, la influenza y otras en las que el virus muta para evadir respuestas inmunitarias que son demasiado limitadas o enfocadas. Los anticuerpos surgen cuando un "inmunógeno" (un inmunógeno es cualquier cosa que induce una respuesta inmunitaria, generalmente una proteína extraña) es absorbido por el sistema inmunitario y mostrado a los glóbulos blancos (células T y B) por células inmunitarias especializadas. En algunos casos, las células T y B unen los inmunógenos a los receptores en su superficie, desencadenando una respuesta inmunitaria en la que las células T "ayudan" a las células B a fabricar anticuerpos específicos. Los eventos en torno a cómo se procesa la proteína en piezas manejables, que se muestran a las células T y B, y el patrón de señales químicas producidas por las células inmunitarias son muy complejos, pero finalmente determinan qué tan amplia será la respuesta de anticuerpos (su amplitud). Para infecciones como el VIH y la influenza, décadas de investigación y ensayos clínicos de vacunas han tenido un éxito limitado o nulo. Para tomar el VIH como ejemplo, los investigadores tienen una falta casi total de comprensión de cómo los inmunógenos interactúan con el repertorio de receptores de células B (BCR) humanos ingenuos y las vías requeridas para inducir bNAbs durante una infección o después de una inmunización. Los modelos animales han fallado ya que los repertorios de receptores de anticuerpos de células B ingenuos, codificados en la línea germinal, de especies no humanas son lo suficientemente diferentes de los humanos como para hacer que el diseño y la selección de vacunas basados ​​en especies no humanas sean problemáticos. Además, los bNAb aislados de individuos infectados por el VIH-1 tienen características estructurales que rara vez o no ocurren en absoluto en otros mamíferos, como regiones de unión a bucle inusualmente largas (bucles CDRH3) necesarias para penetrar los glucanos pasados ​​en la superficie de la punta de la envoltura que proteger los epítopos neutralizantes clave (Mascola JR 2013). Por lo tanto, existe una necesidad crítica de comprender mejor, en modelos de medicina experimental humana de desafío inmunitario, cómo interactúan los inmunógenos y las células B/T en el desarrollo de respuestas antivirales bNAb protectoras.

Nuestro enfoque para resolver este punto muerto es desafiar el sistema inmunitario humano con inmunógenos modelo diseñados racionalmente para determinar las características estructurales y de otro tipo necesarias para impulsar las respuestas de anticuerpos de células B humanas hacia la amplitud de la neutralización. Los investigadores han seleccionado el VIH como modelo experimental porque existe una comprensión razonable de la especificidad y la función de los bNAbs anti-VIH, así como una necesidad urgente de identificar nuevos enfoques de inmunización después de décadas de ensayos fallidos o poco exitosos. También existe una enorme base de datos sobre la seguridad del uso de proteínas del VIH como inmunógenos y la experiencia tecnológica para diseñar y fabricar proteínas virales del VIH. Los ensayos de actividad neutralizante del VIH también están bien establecidos en nuestros laboratorios. Aunque centrado en el VIH, nuestros hallazgos serán aplicables a otras infecciones virales.

Es poco probable que los inmunógenos modelo propuestos en los estudios de medicina experimental sean adecuados como vacunas, y cualquier desarrollo clínico requeriría ciclos iterativos de refinamiento y desarrollo del diseño basados ​​en los conocimientos inmunológicos obtenidos de estas investigaciones experimentales. Por lo tanto, la atención se centra en la caracterización en profundidad de la respuesta inmunitaria provocada por inmunógenos modelo diseñados racionalmente que pueden informar el proceso de diseño de vacunas reales. Este enfoque de medicina experimental solo ahora es posible debido al progreso sin precedentes en nuestras capacidades para estudiar el sistema inmunitario humano y obtener información completa sobre las respuestas inmunitarias a la vacunación, ya que realizar investigaciones sobre el sistema inmunitario humano ahora es casi tan fácil como lo ha sido en ratones. El enfoque principal de este estudio será determinar cuál de las estrategias de diseño es capaz de cebar las células B de la línea germinal humana (ingenua) e impulsar las respuestas de anticuerpos hacia la inducción de la amplitud de anticuerpos neutralizantes.

Nuestra gama de inmunógenos modelo se basará en la glicoproteína de la cubierta (Env) del VIH-1, que es el único objetivo de los anticuerpos neutralizantes y, por lo tanto, el único inmunógeno codificado por virus relevante para la inducción de dichos anticuerpos mediante la inmunización. Para garantizar la reproducibilidad de los resultados y el más alto nivel de seguridad de los voluntarios, todos los inmunógenos se fabricarán bajo cGMP, utilizando técnicas aplicadas a los inmunógenos de vacunas.

Env tiene una amplia variación de aminoácidos, inestabilidad estructural y conformacional e inmunodominancia de regiones hipervariables (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Nuestro equipo diseñó inmunógenos solubles que imitan fielmente al trímero viral nativo in situ, pero que incorporan estrategias de diseño que pueden alterar los mecanismos intrínsecos de evasión inmunitaria viral (Sanders RW, 2013). Env está formado por tres complejos idénticos (trímeros), cada uno de los cuales contiene dos moléculas, gp120 y gp41, que pueden modificarse para formar una molécula soluble llamada gp140, en la que se basan nuestros inmunógenos. Los investigadores han desarrollado modelos de trímeros consenso gp140 Env (consenso de todas las cepas globales) diseñados para estimular las respuestas de las células B a epítopos comunes representados en todos los subtipos de VIH-1. Los investigadores han utilizado dos estrategias de diseño para estabilizarlos en una conformación similar a la nativa: ConM SOSIP y ConS UFO. El trímero ConM SOSIP incluye mutaciones novedosas que incluyen la incorporación de un enlace disulfuro entre el ectodominio gp120 y gp41 (que forma gp140) que evita su disociación en subunidades monoméricas.

El ConS UFO incluye un conector de aminoácidos corto y flexible para unir las subunidades gp120 y gp41 como una estrategia alternativa para evitar la disociación del trímero Env. Los investigadores desean probar ambos diseños para determinar el efecto sobre el repertorio de células B. Para estabilizar aún más la arquitectura global, los investigadores emplearon un enfoque de entrecruzamiento de EDC que se ha demostrado que conserva los epítopos de bNAb, reduce las respuestas de anticuerpos no antivirales y mejora la estabilidad general del inmunógeno (Schiffner et al., 2015). Por lo tanto, en la Parte 1 de este estudio, los investigadores probarán las versiones EDC ConM SOSIP y EDC ConS UFO en paralelo.

Un complemento fundamental para nuestro diseño de modelo basado en el consenso es usar un cóctel de tres trímeros de mosaico gp140 Env como refuerzo (Parte 2) para superar la inmunodominancia de las regiones hipervariables de Env y determinar si esto enfocará las respuestas de anticuerpos hacia los epítopos de neutralización conservados. . Si bien se diseñaron utilizando algoritmos informáticos, estos mosaicos representan estructuras Env auténticas que son completamente funcionales y nativas en su conformación. Nuestros diseños novedosos tienen como objetivo eliminar las respuestas de anticuerpos inmunodominantes no deseadas y enfocar las células B hacia supersitios altamente conservados de vulnerabilidad en Env, con especial énfasis en los epítopos cuaternarios de bNAb (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). La medida en que estas diferentes estrategias pueden inducir la amplitud neutralizante y la identificación de los mecanismos y los impulsores involucrados solo se pueden determinar empíricamente a través de estudios de desafío con inmunógenos humanos.