Modellazione dell'interazione tra immunogeni proteici virali a modello sintetico progettati razionalmente (EAVI2020_01)

Una delle armi più efficaci del sistema immunitario umano è la capacità di concentrazioni molto basse di proteine ​​anticorpali di legarsi a virus, batteri e tossine e di "neutralizzare" la loro attività o capacità di infettare. Contrariamente all'immunità cellulare, che può causare distruzione dei tessuti e patologia, l'immunità mediata da anticorpi può essere molto passiva, prevenendo completamente l'infezione. Il modo in cui gli anticorpi legano i loro bersagli varia enormemente, spaziando da inutili anticorpi "bloccanti" o anticorpi neutralizzanti strettamente focalizzati, ad anticorpi altamente protettivi "ampiamente neutralizzanti" (bNAbs) che possono neutralizzare un'ampia gamma di ceppi dello stesso agente patogeno. Tali bNAb sono particolarmente ricercati nelle infezioni da virus come l'HIV, l'influenza e altri in cui il virus muta per eludere le risposte immunitarie troppo ristrette o focalizzate. Gli anticorpi si formano quando un "immunogeno" (un immunogeno è tutto ciò che induce una risposta immunitaria, tipicamente una proteina estranea) viene assorbito dal sistema immunitario e mostrato ai globuli bianchi - cellule T e B - da cellule immunitarie specializzate. In alcuni casi le cellule T e B legano gli immunogeni ai recettori sulla loro superficie, innescando una risposta immunitaria in cui le cellule T "aiutano" le cellule B a produrre anticorpi specifici. Gli eventi su come la proteina viene trasformata in pezzi gestibili, mostrati alle cellule T e B, e il modello di segnali chimici prodotti dalle cellule immunitarie è molto complesso, ma alla fine determina quanto sarà ampia la risposta anticorpale (la sua ampiezza). Per infezioni come l'HIV e l'influenza, decenni di ricerca e studi clinici sui vaccini hanno avuto un successo limitato o nullo. Per prendere l'HIV come esempio, i ricercatori hanno una quasi totale mancanza di comprensione di come gli immunogeni interagiscono con il repertorio del recettore umano delle cellule B (BCR) ingenuo e i percorsi necessari per indurre bNAb durante un'infezione o dopo un'immunizzazione. I modelli animali hanno fallito poiché i repertori ingenui, codificati dalla linea germinale, dei recettori degli anticorpi delle cellule B delle specie non umane sono sufficientemente diversi da quelli degli esseri umani da rendere problematica la progettazione e la selezione del vaccino basato su specie non umane. Inoltre, i bNAb isolati da individui con infezione da HIV-1 hanno caratteristiche strutturali che si verificano raramente o per niente in altri mammiferi, come regioni di legame ad anello insolitamente lunghe (loop CDRH3) necessarie per penetrare oltre i glicani sulla superficie del picco dell'involucro che scudo chiave neutralizzante epitopi (Mascola JR 2013). Vi è quindi un'esigenza critica per comprendere meglio, nei modelli di medicina sperimentale umana di sfida immunitaria, come gli immunogeni e le cellule B/T interagiscono nello sviluppo di risposte antivirali bNAb protettive.

Il nostro approccio per risolvere questa impasse è quello di sfidare il sistema immunitario umano con immunogeni modello razionalmente progettati per determinare le caratteristiche strutturali e di altro tipo necessarie per guidare le risposte anticorpali delle cellule B umane verso l'ampiezza della neutralizzazione. I ricercatori hanno selezionato l'HIV come modello sperimentale in quanto vi è una ragionevole comprensione della specificità e della funzione dei bNAb anti-HIV, nonché dell'urgente necessità di identificare nuovi approcci di immunizzazione dopo decenni di studi falliti o di scarso successo. Esiste anche un enorme database di sicurezza che utilizza le proteine ​​dell'HIV come immunogeni e l'esperienza tecnologica per progettare e produrre proteine ​​virali dell'HIV. Anche i test per l'attività di neutralizzazione dell'HIV sono ben consolidati nei nostri laboratori. Sebbene focalizzati sull'HIV, i nostri risultati saranno applicabili ad altre infezioni virali.

È improbabile che gli immunogeni modello proposti negli studi di medicina sperimentale siano adatti come vaccini e qualsiasi sviluppo clinico richiederebbe cicli iterativi di perfezionamento e sviluppo del design basati su intuizioni immunologiche raccolte da queste indagini sperimentali. Pertanto, l'attenzione si concentra sulla caratterizzazione approfondita della risposta immunitaria suscitata a immunogeni modello progettati razionalmente che possono informare il processo di progettazione di vaccini reali. Questo approccio di medicina sperimentale è possibile solo ora grazie a progressi senza precedenti nelle nostre capacità di studiare il sistema immunitario umano e di ottenere informazioni complete sulle risposte immunitarie alla vaccinazione, dal momento che eseguire ricerche sul sistema immunitario umano è ora facile quasi quanto lo era in i topi. L'obiettivo principale di questo studio sarà determinare quale delle strategie di progettazione è in grado di innescare le cellule B della linea germinale umana (naive) e guidare le risposte anticorpali verso l'induzione dell'ampiezza dell'anticorpo neutralizzante.

La nostra gamma di immunogeni modello sarà basata sulla glicoproteina dell'involucro (Env) dell'HIV-1, che è l'unico bersaglio degli anticorpi neutralizzanti, e quindi l'unico immunogeno codificato viralmente rilevante per l'induzione di tali anticorpi mediante l'immunizzazione. Per garantire la riproducibilità dei risultati e il massimo livello di sicurezza dei volontari, tutti gli immunogeni saranno prodotti secondo cGMP, utilizzando tecniche applicate agli immunogeni del vaccino.

Env ha un'ampia variazione di aminoacidi, instabilità strutturale e conformazionale e immunodominanza di regioni ipervariabili (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Il nostro team ha progettato immunogeni solubili che imitano da vicino il trimero virale nativo in situ, ma che incorporano strategie di progettazione che possono alterare i meccanismi intrinseci di evasione immunitaria virale (Sanders RW, 2013). Env è costituito da tre complessi identici (trimeri) ciascuno dei quali contiene due molecole, gp120 e gp41 che possono essere modificate per creare una molecola solubile chiamata gp140, su cui si basano i nostri immunogeni. Gli investigatori hanno sviluppato trimeri Env modello consenso gp140 (consenso di tutti i ceppi globali) progettati per innescare le risposte delle cellule B agli epitopi comuni rappresentati in tutti i sottotipi di HIV-1. Gli investigatori hanno utilizzato due strategie di progettazione per stabilizzarli in una conformazione nativa: ConM SOSIP e ConS UFO. Il trimero ConM SOSIP include nuove mutazioni che includono l'incorporazione di un legame disolfuro tra l'ectodominio gp120 e gp41 (che costituisce gp140) che impedisce la loro dissociazione in subunità monomeriche.

Il ConS UFO include un breve linker amminoacidico flessibile per legare insieme le subunità gp120 e gp41 come strategia alternativa per prevenire la dissociazione del trimero Env. Gli investigatori desiderano testare entrambi i progetti per determinare l'effetto sul repertorio delle cellule B. Per stabilizzare ulteriormente l'architettura globale, i ricercatori hanno utilizzato un approccio di reticolazione EDC che ha dimostrato di conservare epitopi bNAb, ridurre le risposte anticorpali non antivirali e migliorare la stabilità complessiva dell'immunogeno (Schiffner et al., 2015). Pertanto, nella parte 1 di questo studio, gli investigatori testeranno in parallelo le versioni EDC ConM SOSIP e EDC ConS UFO.

Un'aggiunta fondamentale alla nostra progettazione del modello basata sul consenso consiste nell'utilizzare un cocktail di tre trimeri Env gp140 a mosaico come spinta (Parte 2) per superare l'immunodominanza delle regioni ipervariabili di Env e per determinare se questo focalizzerà le risposte anticorpali verso epitopi di neutralizzazione conservati . Sebbene progettati utilizzando algoritmi informatici, questi mosaici rappresentano autentiche strutture Env che sono completamente funzionali e native nella loro conformazione. I nostri nuovi progetti mirano a eliminare le risposte anticorpali immunodominanti indesiderate e focalizzare le cellule B verso supersiti di vulnerabilità altamente conservati su Env, con particolare enfasi sugli epitopi bNAb quaternari (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). La misura in cui queste diverse strategie possono indurre un'ampiezza neutralizzante e l'identificazione dei meccanismi e dei driver coinvolti possono essere determinate solo empiricamente attraverso studi di sfida dell'immunogeno umano.