Modelowanie interakcji między racjonalnie zaprojektowanymi syntetycznymi immunogenami białek wirusowych (EAVI2020_01)

Jednym z najskuteczniejszych ramion ludzkiego układu odpornościowego jest zdolność bardzo niskich stężeń białek przeciwciał do wiązania się z wirusami, bakteriami i toksynami oraz „neutralizowania” ich aktywności lub zdolności do infekowania. W przeciwieństwie do odporności komórkowej, która może powodować niszczenie tkanek i patologię, odporność za pośrednictwem przeciwciał może być bardzo pasywna, całkowicie zapobiegając infekcji. Sposób, w jaki przeciwciała wiążą swoje cele, jest bardzo zróżnicowany, począwszy od nieprzydatnych przeciwciał „blokujących” lub wąsko skoncentrowanych przeciwciał neutralizujących, do wysoce ochronnych przeciwciał „szeroko neutralizujących” (bNAb), które mogą neutralizować szeroki zakres szczepów tego samego patogenu. Takie bNAb są szczególnie poszukiwane w infekcjach wirusowych, takich jak HIV, grypa i inne, w których wirus mutuje, aby uniknąć odpowiedzi immunologicznych, które są zbyt wąskie lub skoncentrowane. Przeciwciała powstają, gdy „immunogen” (immunogen to wszystko, co indukuje odpowiedź immunologiczną, zwykle obce białko) jest wchłaniany przez układ odpornościowy i pokazywany białym krwinkom – limfocytom T i B – przez wyspecjalizowane komórki odpornościowe. W niektórych przypadkach limfocyty T i B wiążą immunogeny z receptorami na ich powierzchni, wywołując odpowiedź immunologiczną, w której limfocyty T „pomagają” komórkom B w wytwarzaniu swoistych przeciwciał. Zdarzenia związane z tym, jak białko jest przetwarzane na łatwe do opanowania kawałki, które są pokazywane komórkom T i B, oraz wzór sygnałów chemicznych wytwarzanych przez komórki odpornościowe są bardzo złożone, ale ostatecznie określają, jak szeroka będzie odpowiedź przeciwciał (jej szerokość). W przypadku infekcji, takich jak HIV i grypa, dziesięciolecia badań i prób klinicznych szczepionek przyniosły ograniczone lub żadne sukcesy. Biorąc za przykład HIV, badacze prawie całkowicie nie rozumieją, w jaki sposób immunogeny oddziałują z repertuarem naiwnych ludzkich receptorów komórek B (BCR) i szlakami wymaganymi do indukcji bNAb podczas infekcji lub po immunizacji. Modele zwierzęce zawiodły, ponieważ naiwne, zakodowane w linii zarodkowej repertuary receptorów przeciwciał komórek B gatunków innych niż ludzie są wystarczająco różne od ludzkich, aby zaprojektowanie i wybór szczepionki opartej na gatunkach innych niż człowiek były problematyczne. Ponadto bNAbs wyizolowane od osobników zakażonych HIV-1 mają cechy strukturalne, które występują rzadko lub wcale u innych ssaków, takie jak niezwykle długie regiony wiążące pętle (pętle CDRH3) wymagane do penetracji glikanów na powierzchni kolca otoczki, który epitopy neutralizujące klucz tarczy (Mascola JR 2013). Istnieje zatem krytyczna potrzeba lepszego zrozumienia, w modelach ludzkiej medycyny eksperymentalnej prowokacji immunologicznej, w jaki sposób immunogeny i komórki B/T oddziałują na rozwój ochronnych odpowiedzi przeciwwirusowych bNAb.

Nasze podejście do rozwiązania tego impasu polega na rzuceniu wyzwania ludzkiemu układowi odpornościowemu za pomocą racjonalnie zaprojektowanych modelowych immunogenów w celu określenia strukturalnych i innych cech wymaganych do kierowania odpowiedziami przeciwciał ludzkich komórek B w kierunku szerokości neutralizacji. Badacze wybrali HIV jako model eksperymentalny, ponieważ istnieje rozsądne zrozumienie specyficzności i funkcji bNAb anty-HIV, a także pilna potrzeba zidentyfikowania nowych podejść do immunizacji po dziesięcioleciach nieudanych lub słabo udanych prób. Istnieje również ogromna baza danych na temat bezpieczeństwa stosowania białek HIV jako immunogenów oraz wiedza technologiczna do projektowania i produkcji białek wirusowych HIV. Testy aktywności neutralizującej HIV są również dobrze ugruntowane w naszych laboratoriach. Chociaż koncentrujemy się na HIV, nasze odkrycia będą miały zastosowanie do innych infekcji wirusowych.

Jest mało prawdopodobne, aby modelowe immunogeny proponowane w badaniach medycyny eksperymentalnej nadawały się jako szczepionki, a każdy rozwój kliniczny wymagałby iteracyjnych cykli udoskonalania projektu i rozwoju w oparciu o spostrzeżenia immunologiczne zebrane z tych badań eksperymentalnych. Dlatego nacisk kładziony jest na dogłębną charakterystykę wywołanej odpowiedzi immunologicznej na racjonalnie zaprojektowane modelowe immunogeny, które mogą stanowić podstawę procesu projektowania rzeczywistych szczepionek. To podejście medycyny eksperymentalnej jest możliwe dopiero teraz dzięki bezprecedensowemu postępowi w naszych możliwościach badania ludzkiego układu odpornościowego i uzyskiwania pełnych informacji na temat odpowiedzi immunologicznej na szczepienie, ponieważ prowadzenie badań nad ludzkim układem odpornościowym jest obecnie prawie tak proste, jak było w myszy. Głównym celem tego badania będzie określenie, która ze strategii projektowych jest w stanie pobudzić (naiwne) komórki B ludzkiej linii zarodkowej i kierować odpowiedziami przeciwciał w kierunku indukcji szerokości przeciwciał neutralizujących.

Nasza gama immunogenów modelowych będzie oparta na glikoproteinie otoczki (Env) wirusa HIV-1, która jest jedynym celem przeciwciał neutralizujących, a zatem jedynym immunogenem kodowanym przez wirusy odpowiednim do indukcji takich przeciwciał przez immunizację. Aby zapewnić powtarzalność wyników i najwyższy poziom bezpieczeństwa ochotników, wszystkie immunogeny będą wytwarzane zgodnie z cGMP, przy użyciu technik stosowanych w immunogenach szczepionek.

Env ma rozległą zmienność aminokwasów, niestabilność strukturalną i konformacyjną oraz immunodominację regionów hiperzmiennych (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Nasz zespół zaprojektował rozpuszczalne immunogeny, które ściśle naśladują natywny wirusowy trimer in situ, ale zawierają strategie projektowe, które mogą zmienić wewnętrzne wirusowe mechanizmy unikania odporności (Sanders RW, 2013). Env składa się z trzech identycznych kompleksów (trimerów), z których każdy zawiera dwie cząsteczki, gp120 i gp41, które można zmodyfikować, tworząc rozpuszczalną cząsteczkę zwaną gp140, na której oparte są nasze immunogeny. Badacze opracowali model konsensusu gp140 Env trimerów (konsensus wszystkich globalnych szczepów) zaprojektowanych do primowania odpowiedzi komórek B na wspólne epitopy reprezentowane we wszystkich podtypach HIV-1. Badacze wykorzystali dwie strategie projektowe, aby ustabilizować je w konformacji podobnej do natywnej: ConM SOSIP i ConS UFO. Trimer ConM SOSIP obejmuje nowe mutacje, które obejmują włączenie wiązania dwusiarczkowego między ektodomeną gp120 i gp41 (tworzą gp140), co zapobiega ich rozpadowi na podjednostki monomeru.

ConS UFO zawiera krótki elastyczny łącznik aminokwasowy do łączenia podjednostek gp120 i gp41 razem jako alternatywna strategia zapobiegania dysocjacji trimeru Env. Badacze chcą przetestować oba projekty, aby określić wpływ na repertuar komórek B. Aby jeszcze bardziej ustabilizować globalną architekturę, badacze zastosowali podejście sieciowania EDC, które, jak wykazano, zachowuje epitopy bNAb, zmniejsza odpowiedzi przeciwciał innych niż przeciwwirusowe i zwiększa ogólną stabilność immunogenu (Schiffner i in., 2015). Dlatego w części 1 tego badania badacze przetestują równolegle wersje EDC ConM SOSIP i EDC ConS UFO.

Krytycznym dodatkiem do naszego projektu modelu opartego na konsensusie jest użycie koktajlu trzech mozaikowych trimerów gp140 Env jako wzmocnienia (część 2) w celu przezwyciężenia immunodominacji regionów hiperzmiennych Env i określenia, czy to skupi odpowiedzi przeciwciał na konserwatywne epitopy neutralizacji . Te mozaiki, zaprojektowane przy użyciu algorytmów komputerowych, reprezentują autentyczne struktury Env, które są w pełni funkcjonalne i natywne w swojej konformacji. Nasze nowatorskie projekty mają na celu wyeliminowanie niepożądanych odpowiedzi immunodominujących przeciwciał i skupienie komórek B w kierunku wysoce konserwatywnych supermiejsc podatności na Env, ze szczególnym naciskiem na czwartorzędowe epitopy bNAb (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). Zakres, w jakim te różne strategie mogą indukować szerokość neutralizującą, oraz identyfikacja zaangażowanych mechanizmów i czynników, można określić jedynie empirycznie za pomocą badań prowokacji ludzkim immunogenem.