Vuorovaikutuksen mallintaminen rationaalisesti suunniteltujen synteettisten mallien virusproteiini-immunogeenien välillä (EAVI2020_01)

Yksi ihmisen immuunijärjestelmän tehokkaimmista käsistä on vasta-aineproteiinien erittäin alhaisten pitoisuuksien kyky sitoutua viruksiin, bakteereihin ja myrkkyihin ja "neutralisoida" niiden aktiivisuutta tai kykyä tartuttaa. Toisin kuin soluimmuniteetti, joka voi aiheuttaa kudosten tuhoa ja patologiaa, vasta-ainevälitteinen immuniteetti voi olla hyvin passiivinen, mutta se estää täysin infektion. Se, miten vasta-aineet sitovat kohteitaan, vaihtelee valtavasti, aina hyödyttömistä "salpaavista" vasta-aineista tai kapeasti fokusoiduista neutraloivista vasta-aineista erittäin suojaaviin "laajasti neutraloiviin" vasta-aineisiin (bNAb), jotka voivat neutraloida useita saman patogeenin kantoja. Sellaiset bNAb:t ovat erityisen haluttuja virusinfektioissa, kuten HIV:ssä, influenssassa ja muissa, joissa virus mutatoituu välttääkseen immuunivasteet, jotka ovat liian kapeita tai keskittyneitä. Vasta-aineita syntyy, kun immuunijärjestelmä ottaa vastaan ​​"immunogeenin" (immunogeeni on mikä tahansa immuunivasteen, tyypillisesti vieras proteiini) ja erikoistuneet immuunisolut osoittavat sen valkosoluille - T- ja B-soluille. Joissakin tapauksissa T- ja B-solut sitovat immunogeenit pinnallaan oleviin reseptoreihin, mikä laukaisee immuunivasteen, jossa T-solut "auttavat" B-soluja tuottamaan spesifisiä vasta-aineita. Tapahtumat, jotka liittyvät siihen, miten proteiini prosessoidaan hallittavissa oleviksi paloiksi, jotka näytetään T- ja B-soluille, ja immuunisolujen tuottamien kemiallisten signaalien malli on erittäin monimutkainen, mutta lopulta ratkaisee, kuinka laaja vasta-ainevaste on (sen leveys). HIV:n ja influenssan kaltaisten infektioiden osalta vuosikymmeniä kestäneillä tutkimuksilla ja kliinisillä rokotekokeilla on ollut vain vähän tai ei ollenkaan menestystä. Esimerkiksi HIV:stä voidaan todeta, että tutkijoilla ei ole läheskään täydellistä ymmärrystä siitä, kuinka immunogeenit ovat vuorovaikutuksessa ihmisen naiivien B-solureseptorien (BCR) kanssa, ja reittejä, joita tarvitaan bNAb:iden indusoimiseen infektion aikana tai immunisaation jälkeen. Eläinmallit ovat epäonnistuneet, koska ei-ihmislajien naiivit, ituradan koodaamat B-soluvasta-ainerepertuaarit eroavat riittävästi ihmisten vastaavista tehdäkseen ei-ihmislajeihin perustuvan rokotteen suunnittelun ja valinnan ongelmallista. Lisäksi HIV-1-tartunnan saaneista yksilöistä eristetyillä bNAb:illa on rakenteellisia piirteitä, joita esiintyy harvoin tai ei ollenkaan muissa nisäkkäissä, kuten epätavallisen pitkiä silmukkaa sitovia alueita (CDRH3-silmukat), joita tarvitaan tunkeutumaan glykaanien ohitse vaippapiikin pinnalla. shield key neutraloivia epitooppeja (Mascola JR 2013). Siksi on kriittinen tarve ymmärtää paremmin immuunihaasteen kokeellisissa ihmislääketieteen malleissa, kuinka immunogeenit ja B/T-solut ovat vuorovaikutuksessa suojaavien bNAb-viruksen vastaisten vasteiden kehittymisessä.

Lähestymistapamme tämän umpikujan ratkaisemiseksi on haastaa ihmisen immuunijärjestelmä rationaalisesti suunnitelluilla immunogeeneillä määrittääksemme rakenteelliset ja muut ominaisuudet, joita tarvitaan ihmisen B-soluvasta-ainevasteiden ohjaamiseen kohti neutralointia. Tutkijat ovat valinneet HIV:n kokeelliseksi malliksi, koska on olemassa kohtuullinen ymmärrys anti-HIV-bNAb:iden spesifisyydestä ja toiminnasta sekä kiireellinen tarve tunnistaa uusia immunisointimenetelmiä vuosikymmeniä kestäneiden epäonnistuneiden tai huonosti onnistuneiden kokeiden jälkeen. Siellä on myös valtava tietokanta turvallisuudesta, jossa käytetään HIV-proteiineja immunogeeneinä, ja tekninen asiantuntemus HIV-virusproteiinien suunnittelussa ja valmistuksessa. Myös HIV:tä neutraloivan aktiivisuuden määritykset ovat vakiintuneet laboratorioissamme. Vaikka havainnot keskittyvät HIV:hen, niitä voidaan soveltaa muihin virusinfektioihin.

Lääketieteellisissä kokeellisissa tutkimuksissa ehdotetut malli-immunogeenit eivät todennäköisesti sovellu rokotteiksi, ja mikä tahansa kliininen kehitys vaatisi iteratiivisia suunnittelun jalostus- ja kehityssyklejä, jotka perustuvat näistä kokeellisista tutkimuksista saatuihin immunologisiin näkemyksiin. Siksi painopiste on rationaalisesti suunniteltujen malli-immunogeenien aiheuttaman immuunivasteen perusteellisessa karakterisoinnissa, jotka voivat antaa tietoja todellisten rokotteiden suunnitteluprosessista. Tämä kokeellinen lääketieteellinen lähestymistapa on mahdollista vasta nyt, koska kykymme tutkia ihmisen immuunijärjestelmää ja saada täydellistä tietoa rokotusten immuunivasteista ovat edistyneet ennennäkemättömällä tavalla, koska ihmisen immuunijärjestelmän tutkimus on nyt lähes yhtä helppoa kuin ennen. hiiret. Tämän tutkimuksen pääpaino on määrittää, mikä suunnittelustrategioista pystyy luomaan ihmisen ituradan (naiiveja) B-soluja ja ohjaamaan vasta-ainevasteita kohti neutraloivan vasta-aineen leveyden induktiota.

Malli-immunogeenien valikoimamme perustuu HIV-1:n vaipan (Env) glykoproteiiniin, joka on ainoa neutraloivien vasta-aineiden kohde ja siksi ainoa viruksen koodaama immunogeeni, jolla on merkitystä tällaisten vasta-aineiden induktiossa immunisoinnilla. Tulosten toistettavuuden ja vapaaehtoisten turvallisuuden korkeimman tason varmistamiseksi kaikki immunogeenit valmistetaan cGMP:llä käyttäen rokotteen immunogeeneihin sovellettavia tekniikoita.

Env:ssä on laajaa aminohappovaihtelua, rakenteellista ja konformationaalista epästabiilisuutta ja hypervariaabelien alueiden immunodominanssia (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Tiimimme suunnitteli liukoisia immunogeenejä, jotka jäljittelevät läheisesti natiivia virustrimeeriä in situ, mutta jotka sisältävät suunnittelustrategioita, jotka voivat muuttaa viruksen sisäisiä immuunivasteen kiertomekanismeja (Sanders RW, 2013). Env koostuu kolmesta identtisestä kompleksista (trimeeristä), joista jokainen sisältää kaksi molekyyliä, gp120 ja gp41, joita voidaan modifioida liukoiseksi molekyyliksi nimeltä gp140, joihin immunogeenimme perustuvat. Tutkijat ovat kehittäneet mallikonsensusgp140 Env -trimeerit (kaikkien globaalien kantojen konsensus), jotka on suunniteltu käynnistämään B-soluvasteet yleisille epitoopeille, jotka ovat edustettuina kaikissa HIV-1-alatyypeissä. Tutkijat ovat käyttäneet kahta suunnittelustrategiaa stabiloidakseen nämä alkuperäisen kaltaiseen konformaatioon: ConM SOSIP ja ConS UFO. ConM SOSIP -trimeeri sisältää uusia mutaatioita, jotka sisältävät disulfidisidoksen sisällyttämisen gp120- ja gp41-ektodomeenien välille (joka muodostaa gp140:n), mikä estää niiden irtautumisen monomeerialayksiköiksi.

ConS UFO sisältää lyhyen joustavan aminohappolinkkerin gp120- ja gp41-alayksiköiden kytkemiseksi yhteen vaihtoehtoisena strategiana Env-trimeerin dissosioitumisen estämiseksi. Tutkijat haluavat testata molempia malleja määrittääkseen vaikutuksen B-soluvalikoimaan. Globaalin arkkitehtuurin stabiloimiseksi entisestään tutkijat käyttivät EDC-silloittamismenetelmää, jonka on osoitettu säilyttävän bNAb-epitooppeja, vähentävän ei-viruksenvastaisia ​​vasta-ainevasteita ja parantavan immunogeenin yleistä stabiilisuutta (Schiffner et al., 2015). Näin ollen tämän tutkimuksen osassa 1 tutkijat testaavat EDC ConM SOSIP- ja EDC ConS UFO -versioita rinnakkain.

Kriittinen lisä konsensuspohjaiselle mallisuunnittelullemme on käyttää kolmen mosaiikkigp140 Env -trimeerin cocktailia tehosteena (osa 2) Env:n hypervariaabelien alueiden immunodominanssin voittamiseksi ja sen määrittämiseksi, keskittääkö tämä vasta-ainevasteet konservoituneita neutralointiepitooppeja kohtaan. . Vaikka nämä mosaiikit on suunniteltu tietokonealgoritmeilla, ne edustavat aitoja Env-rakenteita, jotka ovat täysin toimivia ja muodoltaan alkuperäisiä. Uusien suunnitelmiemme tavoitteena on eliminoida ei-toivotut immunodominanttivasta-ainevasteet ja kohdistaa B-solut kohti erittäin konservoituneita Env:n haavoittuvuuden superkohtia, painottaen erityisesti kvaternäärisiä bNAb-epitooppeja (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). Se, missä määrin nämä erilaiset strategiat voivat indusoida neutraloivan leveyden, ja niihin liittyvien mekanismien ja tekijöiden tunnistaminen voidaan määrittää vain empiirisesti ihmisen immunogeenialtistustutkimuksilla.