Modelando a Interação entre Imunógenos de Proteína Viral de Modelo Sintético Racionalmente Projetados (EAVI2020_01)

Um dos braços mais eficazes do sistema imunológico humano é a capacidade de concentrações muito baixas de proteínas de anticorpos se ligarem a vírus, bactérias e toxinas e "neutralizar" sua atividade ou capacidade de infectar. Em contraste com a imunidade celular, que pode causar destruição tecidual e patologia, a imunidade mediada por anticorpos pode ser muito passiva, enquanto previne completamente a infecção. A maneira como os anticorpos ligam seus alvos varia enormemente, variando de anticorpos "bloqueadores" inúteis ou anticorpos neutralizantes de foco estreito, a anticorpos "neutralizadores amplos" altamente protetores (bNAbs) que podem neutralizar uma ampla gama de cepas do mesmo patógeno. Esses bNAbs são especialmente procurados em infecções por vírus, como HIV, influenza e outras em que o vírus sofre mutação para evitar respostas imunes que são muito estreitas ou focadas. Os anticorpos surgem quando um "imunógeno" (um imunógeno é qualquer coisa que induz uma resposta imune, geralmente uma proteína estranha) é captado pelo sistema imunológico e mostrado aos glóbulos brancos - células T e B - por células imunes especializadas. Em alguns casos, as células T e B ligam os imunógenos a receptores em sua superfície, desencadeando uma resposta imune na qual as células T "ajudam" as células B a fabricar anticorpos específicos. Os eventos em torno de como a proteína é processada em pedaços gerenciáveis, mostrados às células T e B, e o padrão de sinais químicos produzidos pelas células imunes é altamente complexo, mas eventualmente determina o quão ampla será a resposta do anticorpo (sua amplitude). Para infecções como HIV e influenza, décadas de pesquisa e testes de vacinas clínicas tiveram sucesso limitado ou nenhum. Para tomar o HIV como exemplo, os investigadores têm uma falta quase completa de compreensão de como os imunógenos interagem com o repertório de receptores de células B humanas virgens (BCR) e as vias necessárias para induzir bNAbs durante uma infecção ou após uma imunização. Os modelos animais falharam, pois os repertórios de receptores de anticorpos de células B ingênuas, codificados por linha germinativa, de espécies não humanas são suficientemente diferentes dos humanos para tornar problemático o projeto e a seleção de vacinas baseadas em espécies não humanas. Além disso, os bNAbs isolados de indivíduos infectados pelo HIV-1 têm características estruturais que ocorrem raramente ou não ocorrem em outros mamíferos, como regiões de ligação de loop invulgarmente longas (loops CDRH3) necessárias para penetrar glicanos passados ​​na superfície do pico do envelope que epítopos de neutralização de chave de escudo (Mascola JR 2013). Há, portanto, uma necessidade crítica de entender melhor, em modelos de desafio imunológico em medicina experimental humana, como os imunógenos e as células B/T interagem no desenvolvimento de respostas antivirais bNAb protetoras.

Nossa abordagem para resolver esse impasse é desafiar o sistema imunológico humano com imunógenos modelo racionalmente projetados para determinar as características estruturais e outras características necessárias para direcionar as respostas de anticorpos de células B humanas em direção à amplitude de neutralização. Os investigadores selecionaram o HIV como um modelo experimental, pois há um entendimento razoável sobre a especificidade e a função dos bNAbs anti-HIV, bem como uma necessidade urgente de identificar novas abordagens de imunização após décadas de tentativas fracassadas ou pouco bem-sucedidas. Há também um enorme banco de dados de segurança usando proteínas do HIV como imunógenos e o conhecimento tecnológico para projetar e fabricar proteínas virais do HIV. Ensaios para a atividade de neutralização do HIV também estão bem estabelecidos em nossos laboratórios. Embora focados no HIV, nossos achados serão aplicáveis ​​a outras infecções virais.

É improvável que os imunógenos modelo propostos nos estudos de medicina experimental sejam adequados como vacinas, e qualquer desenvolvimento clínico exigiria ciclos iterativos de refinamento e desenvolvimento de design com base em percepções imunológicas obtidas dessas investigações experimentais. Portanto, o foco está na caracterização aprofundada da resposta imune induzida a imunógenos modelo racionalmente projetados que podem informar o processo de design de vacinas reais. Essa abordagem da medicina experimental só é possível agora devido ao progresso sem precedentes em nossas habilidades de estudar o sistema imunológico humano e obter informações completas sobre as respostas imunes à vacinação, uma vez que realizar pesquisas sobre o sistema imunológico humano agora é quase tão fácil quanto antes ratos. O foco principal deste estudo será determinar qual das estratégias de design é capaz de preparar células B da linhagem germinativa humana (ingênuas) e direcionar respostas de anticorpos para a indução da amplitude de anticorpos neutralizantes.

Nossa gama de imunógenos modelo será baseada na glicoproteína do envelope (Env) do HIV-1, que é o único alvo dos anticorpos neutralizantes e, portanto, o único imunógeno codificado por vírus relevante para a indução de tais anticorpos por imunização. Para garantir a reprodutibilidade dos resultados e o mais alto nível de segurança dos voluntários, todos os imunógenos serão fabricados sob cGMP, usando técnicas aplicadas aos imunógenos vacinais.

Env tem extensa variação de aminoácidos, instabilidade estrutural e conformacional e imunodominância de regiões hipervariáveis ​​(Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Nossa equipe projetou imunógenos solúveis que imitam de perto o trímero viral nativo in situ, mas que incorporam estratégias de design que podem alterar os mecanismos intrínsecos de evasão imune viral (Sanders RW, 2013). O Env é constituído por três complexos idênticos (trímeros), cada um dos quais contém duas moléculas, gp120 e gp41, que podem ser modificadas para formar uma molécula solúvel chamada gp140, na qual se baseiam os nossos imunógenos. Os investigadores desenvolveram trímeros modelo de consenso gp140 Env (consenso de todas as cepas globais) projetados para estimular as respostas das células B aos epítopos comuns representados em todos os subtipos de HIV-1. Os investigadores utilizaram duas estratégias de design para estabilizá-los em uma conformação nativa: ConM SOSIP e ConS UFO. O trímero ConM SOSIP inclui novas mutações que incluem a incorporação de uma ligação dissulfeto entre o ectodomínio gp120 e gp41 (compondo gp140) que impede sua dissociação em subunidades monoméricas.

O ConS UFO inclui um ligante de aminoácidos curto e flexível para amarrar as subunidades gp120 e gp41 como uma estratégia alternativa para evitar a dissociação do trímero Env. Os investigadores desejam testar ambos os projetos para determinar o efeito no repertório de células B. Para estabilizar ainda mais a arquitetura global, os investigadores empregaram uma abordagem de reticulação EDC que demonstrou conservar os epítopos bNAb, reduzir as respostas de anticorpos não antivirais e aumentar a estabilidade geral do imunógeno (Schiffner et al., 2015). Assim, na Parte 1 deste estudo, os investigadores testarão as versões EDC ConM SOSIP e EDC ConS UFO em paralelo.

Um complemento crítico para nosso projeto de modelo baseado em consenso é usar um coquetel de três trímeros mosaicos gp140 Env como um reforço (Parte 2) para superar a imunodominância de regiões hipervariáveis ​​de Env e determinar se isso focará as respostas de anticorpos em epítopos de neutralização conservados . Embora projetados usando algoritmos de computador, esses mosaicos representam estruturas Env autênticas que são totalmente funcionais e nativas em sua conformação. Nossos novos designs visam eliminar respostas indesejadas de anticorpos imunodominantes e focar células B em supersítios de vulnerabilidade altamente conservados em Env, com ênfase particular em epítopos bNAb quaternários (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). A extensão em que essas diferentes estratégias podem induzir amplitude de neutralização e a identificação dos mecanismos e condutores envolvidos só podem ser determinados empiricamente por meio de estudos de desafio com imunógeno humano.