Modellering van de interactie tussen synthetische modelimmunogenen en de geïnduceerde B- en T-celrepertoires. (MOSAIC)

Een van de meest effectieve onderdelen van het menselijke immuunsysteem is het vermogen van zeer lage concentraties antilichaameiwitten om zich te binden aan virussen, bacteriën en toxines en hun activiteit of vermogen om te infecteren te "neutraliseren". In tegenstelling tot cellulaire immuniteit, die weefselvernietiging en pathologie kan veroorzaken, kan antilichaam-gemedieerde immuniteit zeer passief zijn, terwijl infectie volledig wordt voorkomen. Hoe antilichamen hun doelen binden, varieert enorm, variërend van nutteloze "blokkerende" antilichamen of nauw gefocuste neutraliserende antilichamen tot zeer beschermende "breed neutraliserende" antilichamen (bNAb's) die een breed scala aan stammen van dezelfde ziekteverwekker kunnen neutraliseren. Dergelijke bNAb's zijn vooral gewild bij virusinfecties zoals HIV, griep en andere waarbij het virus muteert om immuunresponsen te omzeilen die te smal of te gefocust zijn. Antilichamen ontstaan ​​wanneer een "immunogeen" (een immunogeen is alles dat een immuunrespons opwekt, meestal een vreemd eiwit) door het immuunsysteem wordt opgenomen en door gespecialiseerde immuuncellen aan witte bloedcellen - T- en B-cellen - wordt getoond. In sommige gevallen binden de T- en B-cellen de immunogenen aan receptoren op hun oppervlak, wat een immuunrespons op gang brengt waarin T-cellen B-cellen "helpen" om specifieke antilichamen te produceren. De gebeurtenissen rond hoe het eiwit wordt verwerkt tot hanteerbare stukjes, getoond aan de T- en B-cellen, en het patroon van chemische signalen geproduceerd door de immuuncellen is zeer complex, maar bepaalt uiteindelijk hoe breed de antilichaamrespons zal zijn (de breedte). Voor infecties zoals hiv en griep hebben tientallen jaren van onderzoek en klinische vaccinproeven weinig of geen succes gehad. Om HIV als voorbeeld te nemen: we hebben een bijna volledig gebrek aan begrip van hoe immunogenen interageren met het naïeve menselijke B-celreceptorrepertoire (BCR) en de routes die nodig zijn om bNAbs te induceren tijdens een infectie of na een immunisatie. Diermodellen hebben gefaald omdat de naïeve, door kiembaan gecodeerde, B-cel-antilichaamreceptorrepertoires van niet-menselijke soorten voldoende verschillen van die van mensen om ontwerp en selectie van vaccins op basis van niet-menselijke soorten problematisch te maken. Bovendien hebben bNAb's geïsoleerd uit HIV-1-geïnfecteerde individuen structurele kenmerken die zelden of helemaal niet voorkomen bij andere zoogdieren, zoals ongewoon lange lusbindende gebieden (CDRH3-lussen) die nodig zijn om langs glycanen op het oppervlak van de enveloppiek te penetreren die schild sleutel neutraliserende epitopen (Mascola JR 2013). Er is daarom een ​​kritieke behoefte om beter te begrijpen, in menselijke experimentele geneeskundemodellen van immuunuitdaging, hoe immunogenen en B/T-cellen interageren bij de ontwikkeling van beschermende bNAb-antivirale responsen.

Onze benadering om deze impasse op te lossen, is om het menselijke immuunsysteem uit te dagen met rationeel ontworpen modelimmunogenen om de structurele en andere kenmerken te bepalen die nodig zijn om menselijke B-cel-antilichaamresponsen naar neutralisatiebreedte te sturen. We hebben HIV als experimenteel model gekozen omdat er een redelijk begrip is van de specificiteit en functie van anti-HIV-bNAb's, evenals een dringende behoefte om nieuwe immunisatiebenaderingen te identificeren na decennia van mislukte of slecht succesvolle proeven. Er is ook een enorme database van veiligheid met behulp van HIV-eiwitten als immunogenen, en de technologische expertise om HIV-virale eiwitten te ontwerpen en te produceren. Assays voor HIV-neutraliserende activiteit zijn ook goed ingeburgerd in onze laboratoria. Hoewel gericht op HIV, zullen onze bevindingen van toepassing zijn op andere virale infecties.

Het is onwaarschijnlijk dat de modelimmunogenen die we voorstellen te gebruiken in deze experimentele geneeskundestudies geschikt zullen zijn als vaccins, en elke klinische ontwikkeling zou iteratieve cycli van ontwerpverfijning en ontwikkeling vereisen op basis van immunologische inzichten die uit deze experimentele onderzoeken zijn verkregen. Daarom ligt de focus op diepgaande karakterisering van de opgewekte immuunrespons op rationeel ontworpen modelimmunogenen die het ontwerpproces van daadwerkelijke vaccins kunnen informeren. Deze experimentele geneeskundige benadering is nu pas mogelijk dankzij de ongekende vooruitgang in ons vermogen om het menselijke immuunsysteem te bestuderen en om volledige informatie te verkrijgen over immuunresponsen op vaccinatie, aangezien het uitvoeren van onderzoek naar het menselijke immuunsysteem nu bijna net zo eenvoudig is als in het verleden. muizen. De belangrijkste focus van deze studie zal zijn om te bepalen welke van de ontwerpstrategieën in staat is om menselijke kiembaan (naïeve) B-cellen te primen en antilichaamreacties te stimuleren in de richting van inductie van neutraliserende antilichaambreedte.

Ons assortiment modelimmunogenen zal gebaseerd zijn op het envelop-glycoproteïne (Env) van HIV-1, dat het enige doelwit is van neutraliserende antilichamen, en daarom het enige viraal gecodeerde immunogeen dat relevant is voor de inductie van dergelijke antilichamen door immunisatie. Om de reproduceerbaarheid van de resultaten en het hoogste niveau van vrijwilligersveiligheid te garanderen, zullen alle immunogenen worden vervaardigd onder cGMP, met behulp van technieken die worden toegepast op vaccinimmunogenen.

Env heeft uitgebreide aminozuurvariatie, structurele en conformationele instabiliteit en immunodominantie van hypervariabele regio's (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). We zullen oplosbare immunogenen ontwerpen die het natieve virale trimeer in situ nauw nabootsen, maar die ontwerpstrategieën bevatten die de intrinsieke virale immuunontduikingsmechanismen kunnen veranderen (Sanders RW, 2013). Env bestaat uit drie identieke complexen (trimeren) die elk twee moleculen bevatten, gp120 en gp41, die kunnen worden gemodificeerd om een ​​oplosbaar molecuul genaamd gp140 te maken, waarop onze immunogenen zijn gebaseerd. We hebben modelconsensus gp140 Env-trimeren ontwikkeld (consensus van alle globale stammen) die zijn ontworpen om B-celreacties te primen op gemeenschappelijke epitopen die in alle HIV-1-subtypen worden vertegenwoordigd. We hebben twee ontwerpstrategieën gebruikt om deze te stabiliseren in een native-achtige conformatie: ConM SOSIP en ConS UFO. Het ConM SOSIP-trimeer bevat nieuwe mutaties, waaronder de opname van een disulfidekoppeling tussen het gp120- en gp41-ectodomein (waar gp140 uit bestaat), waardoor hun dissociatie in monomeersubeenheden wordt voorkomen.

De ConS UFO bevat een korte flexibele aminozuurlinker om de gp120- en gp41-subeenheden aan elkaar te binden als een alternatieve strategie om dissociatie van het Env-trimeer te voorkomen. We willen beide ontwerpen testen om het effect op het B-celrepertoire te bepalen.

Een cruciale aanvulling op ons op consensus gebaseerde modelontwerp is het gebruik van een cocktail van drie mozaïek gp140 Env-trimeren die zijn ontworpen om de immunodominantie van hypervariabele regio's van Env te overwinnen en om te bepalen of ze antilichaamreacties zullen richten op geconserveerde neutralisatie-epitopen. Hoewel ze zijn ontworpen met behulp van computeralgoritmen, vertegenwoordigen deze mozaïeken authentieke Env-structuren die volledig functioneel en native in hun conformatie zijn. Onze nieuwe ontwerpen hebben tot doel ongewenste immunodominante antilichaamresponsen te elimineren en B-cellen te richten op sterk geconserveerde supersites van kwetsbaarheid op Env, met bijzondere nadruk op quaternaire bNAb-epitopen (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). Net als de hierboven beschreven ConM SOSIP- en ConS UFO-trimeren, hebben de mozaïektrimeren een disulfidekoppeling die dissociatie van gp120 en gp41 in monomeersubeenheden voorkomt.

In de MOSAIC-studiegroepen zullen we het gebruik onderzoeken van de drie mozaïek-immunogenen die opeenvolgend (in een reeks van verschillende volgorden) of als een cocktail worden gebruikt om B-celreacties te richten op geconserveerde gebieden van Env. Om deze reacties te versterken, zijn we van plan een laatste stimulerende immunisatie te geven met beide consensus-immunogenen (ConM en ConS).

De mate waarin deze verschillende strategieën neutraliserende breedte kunnen veroorzaken, en de identificatie van de betrokken mechanismen en drijfveren, kan alleen empirisch worden bepaald door middel van humane immunogeenprovocatiestudies.