Modélisation de l'interaction entre des immunogènes de protéines virales modèles synthétiques de conception rationnelle (EAVI2020_01)

L'un des bras les plus efficaces du système immunitaire humain est la capacité de très faibles concentrations de protéines d'anticorps à se lier aux virus, bactéries et toxines et à "neutraliser" leur activité ou leur capacité à infecter. Contrairement à l'immunité cellulaire, qui peut entraîner la destruction et la pathologie des tissus, l'immunité médiée par les anticorps peut être très passive, tout en empêchant complètement l'infection. La façon dont les anticorps se lient à leurs cibles varie énormément, allant des anticorps « bloquants » inutiles ou des anticorps neutralisants étroitement focalisés, aux anticorps hautement protecteurs « largement neutralisants » (bNAbs) qui peuvent neutraliser un large éventail de souches du même agent pathogène. Ces bNAb sont particulièrement recherchés dans les infections virales telles que le VIH, la grippe et d'autres où le virus mute pour échapper aux réponses immunitaires qui sont trop étroites ou focalisées. Les anticorps apparaissent lorsqu'un «immunogène» (un immunogène est tout ce qui induit une réponse immunitaire, généralement une protéine étrangère) est absorbé par le système immunitaire et montré aux globules blancs - lymphocytes T et B - par des cellules immunitaires spécialisées. Dans certains cas, les lymphocytes T et B lient les immunogènes aux récepteurs à leur surface, déclenchant une réponse immunitaire dans laquelle les lymphocytes T "aident" les lymphocytes B à fabriquer des anticorps spécifiques. Les événements autour de la façon dont la protéine est transformée en morceaux gérables, montrés aux cellules T et B, et le schéma des signaux chimiques produits par les cellules immunitaires sont très complexes, mais déterminent finalement l'étendue de la réponse anticorps (son ampleur). Pour des infections comme le VIH et la grippe, des décennies de recherche et d'essais cliniques de vaccins ont eu un succès limité ou nul. Pour prendre le VIH comme exemple, les chercheurs ont une méconnaissance presque totale de la manière dont les immunogènes interagissent avec le répertoire des récepteurs des cellules B humaines naïves (BCR) et des voies nécessaires pour induire les bNAb lors d'une infection ou après une immunisation. Les modèles animaux ont échoué car les répertoires naïfs, codés par la lignée germinale, des récepteurs d'anticorps des cellules B des espèces non humaines sont suffisamment différents de ceux des humains pour rendre problématique la conception et la sélection d'un vaccin basé sur des espèces non humaines. De plus, les bNAb isolés d'individus infectés par le VIH-1 ont des caractéristiques structurelles qui se produisent rarement ou pas du tout chez d'autres mammifères, telles que des régions de liaison à la boucle inhabituellement longues (boucles CDRH3) nécessaires pour pénétrer les glycanes passés à la surface de la pointe d'enveloppe qui protéger les épitopes neutralisants clés (Mascola JR 2013). Il existe donc un besoin critique de mieux comprendre, dans les modèles de médecine expérimentale humaine de défi immunitaire, comment les immunogènes et les cellules B/T interagissent dans le développement de réponses antivirales bNAb protectrices.

Notre approche pour résoudre cette impasse consiste à défier le système immunitaire humain avec des immunogènes modèles conçus de manière rationnelle pour déterminer les caractéristiques structurelles et autres nécessaires pour conduire les réponses des anticorps des lymphocytes B humains vers l'étendue de la neutralisation. Les chercheurs ont choisi le VIH comme modèle expérimental car il existe une compréhension raisonnable de la spécificité et de la fonction des bNAb anti-VIH, ainsi qu'un besoin urgent d'identifier de nouvelles approches d'immunisation après des décennies d'essais ratés ou peu réussis. Il existe également une énorme base de données sur la sécurité de l'utilisation des protéines du VIH comme immunogènes, et l'expertise technologique pour concevoir et fabriquer des protéines virales du VIH. Les dosages de l'activité de neutralisation du VIH sont également bien établis dans nos laboratoires. Bien que centrés sur le VIH, nos résultats seront applicables à d'autres infections virales.

Il est peu probable que les immunogènes modèles proposés dans les études de médecine expérimentale conviennent comme vaccins, et tout développement clinique nécessiterait des cycles itératifs d'affinement de la conception et de développement basés sur les connaissances immunologiques tirées de ces investigations expérimentales. Par conséquent, l'accent est mis sur la caractérisation approfondie de la réponse immunitaire induite par des immunogènes modèles conçus de manière rationnelle qui peuvent éclairer le processus de conception de vaccins réels. Cette approche de médecine expérimentale n'est désormais possible qu'en raison de progrès sans précédent dans nos capacités à étudier le système immunitaire humain et à obtenir des informations complètes sur les réponses immunitaires à la vaccination, car effectuer des recherches sur le système immunitaire humain est maintenant presque aussi facile qu'il l'a été dans souris. L'objectif principal de cette étude sera de déterminer laquelle des stratégies de conception est capable d'amorcer les lymphocytes B germinaux humains (naïfs) et de conduire les réponses des anticorps vers l'induction de l'étendue des anticorps neutralisants.

Notre gamme d'immunogènes modèles sera basée sur la glycoprotéine d'enveloppe (Env) du VIH-1, qui est la seule cible des anticorps neutralisants, et donc le seul immunogène codé viralement pertinent pour l'induction de tels anticorps par immunisation. Pour assurer la reproductibilité des résultats et le plus haut niveau de sécurité des volontaires, tous les immunogènes seront fabriqués sous cGMP, en utilisant des techniques appliquées aux immunogènes vaccinaux.

Env présente une variation importante des acides aminés, une instabilité structurelle et conformationnelle et une immunodominance des régions hypervariables (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Notre équipe a conçu des immunogènes solubles qui imitent étroitement le trimère viral natif in situ, mais qui intègrent des stratégies de conception susceptibles de modifier les mécanismes intrinsèques d'évasion immunitaire virale (Sanders RW, 2013). Env est composé de trois complexes identiques (trimères) contenant chacun deux molécules, gp120 et gp41, qui peuvent être modifiées pour former une molécule soluble appelée gp140, sur laquelle reposent nos immunogènes. Les chercheurs ont développé des trimères de consensus gp140 Env modèles (consensus de toutes les souches mondiales) conçus pour amorcer les réponses des lymphocytes B aux épitopes communs représentés dans tous les sous-types du VIH-1. Les enquêteurs ont utilisé deux stratégies de conception pour les stabiliser dans une conformation de type natif : ConM SOSIP et ConS UFO. Le trimère ConM SOSIP comprend de nouvelles mutations qui incluent l'incorporation d'une liaison disulfure entre l'ectodomaine gp120 et gp41 (composant gp140) qui empêche leur dissociation en sous-unités monomères.

Le ConS UFO comprend un court lieur flexible d'acides aminés pour attacher ensemble les sous-unités gp120 et gp41 comme stratégie alternative pour empêcher la dissociation du trimère Env. Les chercheurs souhaitent tester les deux conceptions pour déterminer l'effet sur le répertoire des lymphocytes B. Pour stabiliser davantage l'architecture globale, les chercheurs ont utilisé une approche de réticulation EDC qui s'est avérée efficace pour conserver les épitopes bNAb, réduire les réponses d'anticorps non antiviraux et améliorer la stabilité globale de l'immunogène (Schiffner et al., 2015). Ainsi, dans la partie 1 de cette étude, les chercheurs testeront en parallèle les versions EDC ConM SOSIP et EDC ConS UFO.

Un complément essentiel à notre conception de modèle basée sur le consensus consiste à utiliser un cocktail de trois trimères mosaïques gp140 Env comme un coup de pouce (partie 2) pour surmonter l'immunodominance des régions hypervariables d'Env et pour déterminer si cela concentrera les réponses des anticorps vers des épitopes de neutralisation conservés. . Bien que conçues à l'aide d'algorithmes informatiques, ces mosaïques représentent des structures Env authentiques entièrement fonctionnelles et natives dans leur conformation. Nos nouvelles conceptions visent à éliminer les réponses d'anticorps immunodominants indésirables et à concentrer les cellules B vers des supersites de vulnérabilité hautement conservés sur Env, avec un accent particulier sur les épitopes bNAb quaternaires (Julien, JP, 2013 ; Kong L, 2013 ; Lyumkis D, 2013). La mesure dans laquelle ces différentes stratégies peuvent induire une ampleur neutralisante et l'identification des mécanismes et des moteurs impliqués ne peuvent être déterminées empiriquement que par des études de provocation par immunogène humain.