Modelowanie interakcji między syntetycznymi modelowymi immunogenami a indukowanymi repertuarami komórek B i T. (MOSAIC)

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, mamy prawie całkowity brak zrozumienia, 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. Wybraliśmy 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.

Modelowe immunogeny, które proponujemy zastosować w tych badaniach medycyny eksperymentalnej, prawdopodobnie nie będą odpowiednie 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 zdolnościach do badania ludzkiego układu odpornościowego i uzyskiwania pełnych informacji na temat odpowiedzi immunologicznej na szczepienie, ponieważ prowadzenie badań nad ludzkim układem odpornościowym jest teraz prawie tak proste, jak było w myszy. Głównym celem tego badania będzie określenie, która ze strategii projektowych jest w stanie pobudzić komórki B ludzkiej linii zarodkowej (naiwnych) i kierować odpowiedziami przeciwciał w kierunku indukcji szerokości przeciwciał neutralizujących.

Nasza gama immunogenów modelowych będzie oparta na glikoproteinie otoczki (Env) 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). Zaprojektujemy 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. Opracowaliśmy model konsensusu gp140 Env trimerów (konsensus wszystkich globalnych szczepów) zaprojektowanych do zapoczątkowania odpowiedzi komórek B na wspólne epitopy reprezentowane we wszystkich podtypach HIV-1. Wykorzystaliśmy 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. Chcemy przetestować oba projekty, aby określić wpływ na repertuar komórek B.

Krytycznym dodatkiem do naszego projektu modelu opartego na konsensusie jest użycie koktajlu trzech mozaikowych trimerów gp140 Env zaprojektowanych w celu przezwyciężenia immunodominacji regionów hiperzmiennych Env i określenia, czy będą one skupiać odpowiedzi przeciwciał na konserwatywne epitopy neutralizujące. 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). Podobnie jak opisane powyżej trimery ConM SOSIP i ConS UFO, trimery mozaikowe mają wiązanie dwusiarczkowe, które zapobiega rozpadowi gp120 i gp41 na podjednostki monomeru.

W grupach badawczych MOSAIC zbadamy zastosowanie trzech immunogenów mozaikowych stosowanych sekwencyjnie (w serii różnych rzędów) lub jako koktajl, aby skupić odpowiedzi komórek B na konserwatywnych obszarach Env. Aby wzmocnić te odpowiedzi, zamierzamy dać ostateczną immunizację przypominającą obydwoma konsensusowymi immunogenami (ConM i ConS).

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.