Modellering av interaksjonen mellom rasjonelt utformede syntetiske modellvirusproteinimmunogener (EAVI2020_01)

En av de mest effektive armene til det menneskelige immunsystemet er evnen til svært lave konsentrasjoner av antistoffproteiner til å binde seg til virus, bakterier og toksiner og "nøytralisere" deres aktivitet eller evne til å infisere. I motsetning til cellulær immunitet, som kan forårsake vevsødeleggelse og patologi, kan antistoffmediert immunitet være svært passiv, samtidig som den forhindrer infeksjon fullstendig. Hvordan antistoffer binder sine mål varierer enormt, alt fra uhjelpsomme "blokkerende" antistoffer eller snevert fokuserte nøytraliserende antistoffer, til svært beskyttende "bredt nøytraliserende" antistoffer (bNAbs) som kan nøytralisere et bredt spekter av stammer av samme patogen. Slike bNAbs er spesielt ettertraktet ved virusinfeksjoner som HIV, influensa og andre hvor viruset muterer for å unngå immunresponser som er for smale eller fokuserte. Antistoffer oppstår når et "immunogen" (et immunogen er alt som induserer en immunrespons, typisk et fremmed protein) tas opp av immunsystemet og vises til hvite blodceller - T- og B-celler - av spesialiserte immunceller. I noen tilfeller binder T- og B-cellene immunogenene til reseptorer på overflaten, og utløser en immunrespons der T-celler "hjelper" B-celler til å produsere spesifikke antistoffer. Hendelsene rundt hvordan proteinet prosesseres til håndterbare deler, vist til T- og B-cellene, og mønsteret av kjemiske signaler produsert av immuncellene er svært komplekse, men avgjør til slutt hvor bred antistoffresponsen vil være (dens bredde). For infeksjoner som HIV og influensa har flere tiår med forskning og kliniske vaksineforsøk hatt begrenset eller ingen suksess. For å ta HIV som eksempel, har etterforskere en nesten fullstendig mangel på forståelse av hvordan immunogener interagerer med det naive humane B-celle-reseptor-repertoaret (BCR) og veiene som kreves for å indusere bNAbs under en infeksjon eller etter en immunisering. Dyremodeller har mislyktes ettersom de naive, kimlinjekodede, B-celle antistoffreseptorrepertoarene til ikke-menneskelige arter er tilstrekkelig forskjellig fra menneskers til å gjøre design og valg av vaksine basert på ikke-menneskelige arter problematisk. I tillegg har bNAbs isolert fra HIV-1-infiserte individer strukturelle trekk som forekommer sjelden eller ikke i det hele tatt hos andre pattedyr, slik som uvanlig lange sløyfebindende regioner (CDRH3-løkker) som kreves for å penetrere forbi glykaner på overflaten av konvoluttpiggen som skjoldnøkkelnøytraliserende epitoper (Mascola JR 2013). Det er derfor et kritisk behov for å bedre forstå, i humane eksperimentelle medisinmodeller for immunutfordring, hvordan immunogener og B/T-celler interagerer i utviklingen av beskyttende bNAb-antivirale responser.

Vår tilnærming til å løse dette uføret er å utfordre det menneskelige immunsystemet med rasjonelt utformede modellimmunogener for å bestemme de strukturelle og andre egenskapene som kreves for å drive humane B-celle-antistoffresponser mot nøytraliseringsbredde. Etterforskere har valgt HIV som en eksperimentell modell ettersom det er en rimelig forståelse av spesifisiteten og funksjonen til anti-HIV-bNAbs, samt et presserende behov for å identifisere nye immuniseringstilnærminger etter tiår med mislykkede eller dårlig vellykkede forsøk. Det er også en enorm database over sikkerhet ved bruk av HIV-proteiner som immunogener, og den teknologiske ekspertisen for å designe og produsere HIV-virusproteiner. Analyser for HIV-nøytraliserende aktivitet er også godt etablert i våre laboratorier. Selv om vi fokuserer på HIV, vil funnene våre være anvendelige på andre virusinfeksjoner.

Modellimmunogenene som er foreslått i de eksperimentelle medisinstudiene vil neppe være egnet som vaksiner, og enhver klinisk utvikling vil kreve iterative sykluser med designforfining og utvikling basert på immunologisk innsikt hentet fra disse eksperimentelle undersøkelsene. Derfor er fokuset på dybdekarakterisering av den fremkalte immunresponsen til rasjonelt utformede modellimmunogener som kan informere designprosessen til faktiske vaksiner. Denne eksperimentelle medisintilnærmingen er først nå mulig på grunn av enestående fremgang i våre evner til å studere det menneskelige immunsystemet og å få fullstendig informasjon om immunresponser på vaksinasjon, siden det å utføre forskning på det menneskelige immunsystemet nå er nesten like enkelt som det har vært i mus. Hovedfokuset for denne studien vil være å bestemme hvilke av designstrategiene som er i stand til å prime humane kimlinje (naive) B-celler og drive antistoffresponser mot induksjon av nøytraliserende antistoffbredde.

Vårt utvalg av modellimmunogener vil være basert på envelope (Env) glykoproteinet til HIV-1, som er det eneste målet for nøytraliserende antistoffer, og derfor det eneste viralt kodede immunogenet som er relevant for induksjon av slike antistoffer ved immunisering. For å sikre reproduserbarhet av resultater og det høyeste nivået av frivillighetssikkerhet, vil alle immunogener bli produsert under cGMP, ved bruk av teknikker brukt på vaksineimmunogener.

Env har omfattende aminosyrevariasjoner, strukturell og konformasjonsustabilitet og immundominans av hypervariable regioner (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Teamet vårt utviklet løselige immunogener som tett etterligner den native virale trimeren in situ, men som inkluderer designstrategier som kan endre de iboende virale immununnvikelsesmekanismene (Sanders RW, 2013). Env består av tre identiske komplekser (trimere) som hver inneholder to molekyler, gp120 og gp41 som kan modifiseres for å lage et løselig molekyl kalt gp140, som immunogenene våre er basert på. Etterforskere har utviklet modellkonsensus gp140 Env-trimerer (konsensus for alle globale stammer) designet for å prime B-celleresponser på vanlige epitoper representert i alle HIV-1-subtyper. Etterforskere har brukt to designstrategier for å stabilisere disse i en innfødt-lignende konformasjon: ConM SOSIP og ConS UFO. ConM SOSIP-trimeren inkluderer nye mutasjoner som inkluderer inkorporering av en disulfidbinding mellom gp120- og gp41-ektodomenet (som utgjør gp140) som forhindrer deres disassosiasjon til monomer-underenheter.

ConS UFO inkluderer en kort fleksibel aminosyrelinker for å binde gp120- og gp41-underenhetene sammen som en alternativ strategi for å forhindre dissosiasjon av Env-trimeren. Etterforskere ønsker å teste begge designene for å bestemme effekten på B-celle-repertoaret. For å stabilisere global arkitektur ytterligere, brukte etterforskere en EDC-tverrbindingstilnærming som har vist seg å bevare bNAb-epitoper, redusere ikke-antivirale antistoffresponser og forbedre den generelle immunogenstabiliteten (Schiffner et al., 2015). I del 1 av denne studien vil derfor etterforskere teste EDC ConM SOSIP og EDC ConS UFO-versjoner parallelt.

Et kritisk tillegg til vår konsensusbaserte modelldesign er å bruke en cocktail av tre mosaikk gp140 Env trimere som et løft (del 2) for å overvinne immunodominansen til hypervariable regioner av Env og for å bestemme om dette vil fokusere antistoffresponser mot konserverte nøytraliseringsepitoper . Mens de er utformet ved hjelp av datamaskinalgoritmer, representerer disse mosaikkene autentiske Env-strukturer som er fullt funksjonelle og opprinnelige i sin konformasjon. Våre nye design tar sikte på å eliminere uønskede immundominante antistoffresponser og fokusere B-celler mot svært bevarte supersitter av sårbarhet på Env, med spesiell vekt på kvaternære bNAb-epitoper (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). I hvilken grad disse forskjellige strategiene kan indusere nøytraliserende bredde, og identifiseringen av mekanismene og driverne som er involvert, kan bare bestemmes empirisk gjennom humane immunogenutfordringsstudier.