Моделирование взаимодействия между рационально сконструированными синтетическими модельными вирусными белковыми иммуногенами (EAVI2020_01)

Одним из наиболее эффективных рычагов иммунной системы человека является способность очень низких концентраций белков антител связываться с вирусами, бактериями и токсинами и «нейтрализовать» их активность или способность инфицировать. В отличие от клеточного иммунитета, который может вызывать деструкцию тканей и патологию, иммунитет, опосредованный антителами, может быть очень пассивным, полностью предотвращая инфекцию. То, как антитела связываются со своими мишенями, сильно различается: от бесполезных «блокирующих» антител или узконаправленных нейтрализующих антител до высокозащитных «широко нейтрализующих» антител (bNAb), которые могут нейтрализовать широкий спектр штаммов одного и того же патогена. Такие bNAb особенно востребованы при вирусных инфекциях, таких как ВИЧ, грипп и других, когда вирус мутирует, чтобы уклониться от слишком узкого или сфокусированного иммунного ответа. Антитела возникают, когда «иммуноген» (иммуноген — это все, что вызывает иммунный ответ, обычно чужеродный белок) поглощается иммунной системой и показывается белым кровяным тельцам — Т- и В-клеткам — специализированными иммунными клетками. В некоторых случаях Т- и В-клетки связывают иммуногены с рецепторами на своей поверхности, вызывая иммунный ответ, при котором Т-клетки «помогают» В-клеткам производить специфические антитела. События, связанные с тем, как белок перерабатывается в управляемые фрагменты, демонстрируемые Т- и В-клеткам, и характер химических сигналов, производимых иммунными клетками, очень сложны, но в конечном итоге определяют, насколько широким будет ответ антител (его широта). Десятилетия исследований и клинических испытаний вакцин для таких инфекций, как ВИЧ и грипп, имели ограниченный успех или вообще не имели успеха. Возьмем, к примеру, ВИЧ, у исследователей почти полное отсутствие понимания того, как иммуногены взаимодействуют с репертуаром наивных человеческих В-клеточных рецепторов (BCR) и путей, необходимых для индукции bNAb во время инфекции или после иммунизации. Модели на животных потерпели неудачу, поскольку наивный репертуар рецепторов антител В-клеток, кодируемых зародышевой линией, у нечеловеческих видов достаточно отличается от такового у людей, что делает разработку и выбор вакцины на основе нечеловеческих видов проблематичными. Кроме того, bNAb, выделенные от ВИЧ-1-инфицированных людей, имеют структурные особенности, которые редко встречаются или вообще не встречаются у других млекопитающих, такие как необычно длинные области связывания петель (петли CDRH3), необходимые для проникновения через гликаны на поверхности шипа оболочки, который нейтрализующие эпитопы щитового ключа (Mascola JR 2013). Поэтому существует острая необходимость в лучшем понимании того, как иммуногены и В/Т-клетки взаимодействуют при развитии защитных противовирусных ответов bNAb в экспериментальных медицинских моделях иммунного заражения человека.

Наш подход к выходу из этого тупика заключается в том, чтобы бросить вызов иммунной системе человека с помощью рационально сконструированных модельных иммуногенов, чтобы определить структурные и другие характеристики, необходимые для того, чтобы направить ответ человеческих В-клеток антител в сторону широты нейтрализации. Исследователи выбрали ВИЧ в качестве экспериментальной модели, так как существует разумное понимание специфичности и функции bNAb против ВИЧ, а также острая необходимость в определении новых подходов к иммунизации после десятилетий неудачных или малоуспешных испытаний. Существует также огромная база данных по безопасности использования белков ВИЧ в качестве иммуногенов и технологический опыт для разработки и производства вирусных белков ВИЧ. Анализы на нейтрализующую активность ВИЧ также хорошо зарекомендовали себя в наших лабораториях. Хотя наши выводы сосредоточены на ВИЧ, они применимы и к другим вирусным инфекциям.

Модельные иммуногены, предложенные в исследованиях экспериментальной медицины, вряд ли будут пригодны в качестве вакцин, и любая клиническая разработка потребует итеративных циклов уточнения и разработки дизайна на основе иммунологических данных, полученных в результате этих экспериментальных исследований. Поэтому основное внимание уделяется углубленной характеристике вызванного иммунного ответа на рационально сконструированные модельные иммуногены, которые могут быть использованы при разработке реальных вакцин. Этот подход экспериментальной медицины стал возможен только сейчас благодаря беспрецедентному прогрессу в наших возможностях изучать иммунную систему человека и получать полную информацию об иммунных реакциях на вакцинацию, поскольку проводить исследования иммунной системы человека теперь почти так же просто, как это было в мышей. Основное внимание в этом исследовании будет уделяться определению того, какая из стратегий дизайна способна примировать зародышевые (наивные) В-клетки человека и направлять ответы антител в направлении индукции широты нейтрализующих антител.

Наш диапазон модельных иммуногенов будет основан на гликопротеине оболочки (Env) ВИЧ-1, который является единственной мишенью нейтрализующих антител и, следовательно, единственным кодируемым вирусом иммуногеном, имеющим отношение к индукции таких антител путем иммунизации. Для обеспечения воспроизводимости результатов и высочайшего уровня безопасности добровольцев все иммуногены будут производиться в соответствии с cGMP с использованием технологий, применяемых к вакцинным иммуногенам.

Env имеет обширную аминокислотную вариацию, структурную и конформационную нестабильность и иммунодоминантность гипервариабельных областей (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Наша команда разработала растворимые иммуногены, которые очень точно имитируют нативный тример вируса in situ, но включают стратегии дизайна, которые могут изменить внутренние механизмы уклонения вируса от иммунного ответа (Sanders RW, 2013). Env состоит из трех идентичных комплексов (тримеров), каждый из которых содержит две молекулы, gp120 и gp41, которые можно модифицировать для получения растворимой молекулы gp140, на которой основаны наши иммуногены. Исследователи разработали модель консенсусных тримеров gp140 Env (консенсус всех глобальных штаммов), предназначенных для примирования ответов В-клеток на общие эпитопы, представленные во всех подтипах ВИЧ-1. Исследователи использовали две стратегии дизайна, чтобы стабилизировать их в естественной конформации: ConM SOSIP и ConS UFO. Тример ConM SOSIP включает новые мутации, которые включают включение дисульфидной связи между эктодоменами gp120 и gp41 (составляющими gp140), что предотвращает их диссоциацию на мономерные субъединицы.

ConS UFO включает короткий гибкий аминокислотный линкер для связывания субъединиц gp120 и gp41 вместе в качестве альтернативной стратегии предотвращения диссоциации тримера Env. Исследователи хотят протестировать оба дизайна, чтобы определить влияние на репертуар В-клеток. Для дальнейшей стабилизации общей архитектуры исследователи использовали подход перекрестного связывания EDC, который, как было показано, сохраняет эпитопы bNAb, снижает непротивовирусные ответы антител и повышает общую стабильность иммуногена (Schiffner et al., 2015). Таким образом, в части 1 этого исследования исследователи будут тестировать версии EDC ConM SOSIP и EDC ConS UFO параллельно.

Важным дополнением к нашей модели, основанной на консенсусе, является использование коктейля из трех мозаичных тримеров gp140 Env в качестве буста (Часть 2) для преодоления иммунодоминантности гипервариабельных областей Env и определения того, будет ли это фокусировать ответы антител на консервативных нейтрализующих эпитопах. . Хотя эти мозаики разработаны с использованием компьютерных алгоритмов, они представляют собой аутентичные структуры Env, которые полностью функциональны и нативны по своей структуре. Наши новые разработки направлены на устранение нежелательных ответов иммунодоминантных антител и сосредоточение В-клеток на высококонсервативных суперсайтах уязвимости к Env с особым акцентом на четвертичных эпитопах bNAb (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). Степень, в которой эти различные стратегии могут вызывать широту нейтрализации, а также идентификацию задействованных механизмов и движущих сил, можно определить только эмпирически с помощью исследований иммуногенной стимуляции человека.