Моделирование взаимодействия между синтетическими модельными иммуногенами и индуцированными репертуарами В- и Т-клеток. (MOSAIC)

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 в качестве примера ВИЧ: у нас 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. Мы выбрали ВИЧ в качестве экспериментальной модели, так как имеется 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, которые мы предлагаем использовать в этих экспериментальных медицинских исследованиях, вряд ли будут пригодны в качестве вакцин, и любая клиническая разработка потребует итеративных циклов усовершенствования 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 мыши. 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). Мы создадим растворимые иммуногены, которые точно имитируют нативный вирусный тример 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. Мы 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. Мы использовали две стратегии проектирования, 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. Мы хотим протестировать оба дизайна, чтобы определить влияние на репертуар В-клеток.

Важным дополнением к нашей модели, основанной на консенсусе, является использование коктейля из трех мозаичных тримеров gp140 Env, предназначенных для преодоления иммунодоминантности гипервариабельных областей Env и определения того, будут ли они 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). Подобно тримерам ConM SOSIP и ConS UFO, описанным выше, мозаичные тримеры имеют дисульфидную связь, которая предотвращает диссоциацию gp120 и gp41 на мономерные субъединицы.

В исследовательских группах MOSAIC мы изучим использование трех мозаичных иммуногенов, используемых последовательно (в серии разного порядка) или в виде коктейля, чтобы сосредоточить ответы В-клеток на консервативных областях Env. Чтобы усилить эти ответы, мы намерены провести окончательную бустерную иммунизацию обоими консенсусными иммуногенами (ConM и ConS).

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.