Synteettisten malli-immunogeenien ja indusoitujen B- ja T-solujen repertuaarien välisen vuorovaikutuksen mallintaminen. (MOSAIC)

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. Esimerkkinä HIV:stä meillä on lähes täydellinen puute siitä, kuinka immunogeenit ovat vuorovaikutuksessa ihmisen naiivin B-solureseptorin (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. Olemme valinneet HIV:n kokeelliseksi malliksi, koska on olemassa kohtuullinen käsitys HIV-vastaisten 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.

Malli-immunogeenit, joita ehdotamme käytettäväksi näissä kokeellisissa lääketieteellisissä tutkimuksissa, 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 olla tietoisia todellisten rokotteiden suunnitteluprosessista. Tämä kokeellinen lääketieteellinen lähestymistapa on mahdollista vasta nyt, koska ennennäkemättömän edistynyt kykymme tutkia ihmisen immuunijärjestelmää ja saada täydellistä tietoa immuunivasteista rokotuksissa, koska ihmisen immuunijärjestelmän tutkimus on nyt lähes yhtä helppoa kuin se on ollut 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). Suunnittelemme liukoisia immunogeenejä, jotka jäljittelevät läheisesti natiivia virustrimeeriä in situ, mutta jotka sisältävät suunnittelustrategioita, jotka voivat muuttaa viruksen luontaisia ​​immuunikiertomekanismeja (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. Olemme kehittäneet mallikonsensusgp140 Env -trimeerit (kaikkien globaalien kantojen konsensus), jotka on suunniteltu käynnistämään B-soluvasteet yleisille epitoopeille, jotka ovat edustettuina kaikissa HIV-1-alatyypeissä. Olemme käyttäneet kahta suunnittelustrategiaa näiden vakauttamiseksi alkuperäiseen muotoon: 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. Haluamme testata molempia malleja määrittääksemme vaikutuksen B-soluvalikoimaan.

Kriittinen lisä konsensuspohjaiselle mallisuunnittelullemme on käyttää kolmen mosaiikki gp140 Env -trimeerin cocktailia, jotka on suunniteltu voittamaan Env:n hypervariaabelien alueiden immunodominanssi ja määrittämään, kohdistavatko ne vasta-ainevasteet konservoituneisiin neutralisaatioepitooppeihin. 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). Kuten yllä kuvatut ConM SOSIP- ja ConS UFO -trimeerit, mosaiikkitrimeereissä on disulfidisidos, joka estää gp120:n ja gp41:n hajoamisen monomeerialayksiköiksi.

MOSAIC-tutkimusryhmissä tutkimme kolmen mosaiikki-immunogeenin käyttöä peräkkäin (sarjassa eri järjestyksessä) tai cocktailina B-soluvasteiden kohdentamiseksi Env:n konservoituneille alueille. Näiden vasteiden vahvistamiseksi aiomme antaa viimeisen tehosteimmunisaation molemmilla konsensusimmunogeeneillä (ConM ja ConS).

Se, missä määrin nämä erilaiset strategiat voivat indusoida neutraloivan leveyden, ja niihin liittyvien mekanismien ja tekijöiden tunnistaminen voidaan määrittää vain empiirisesti ihmisen immunogeenialtistustutkimuksilla.