Modellering av interaktionen mellan syntetiska modellimmunogener och de inducerade B- och T-cellsrepertoarerna. (MOSAIC)

En av de mest effektiva armarna hos det mänskliga immunsystemet är förmågan hos mycket låga koncentrationer av antikroppsproteiner att binda till virus, bakterier och toxiner och "neutralisera" deras aktivitet eller förmåga att infektera. I motsats till cellulär immunitet, som kan orsaka vävnadsdestruktion och patologi, kan antikroppsmedierad immunitet vara mycket passiv, samtidigt som den helt förhindrar infektion. Hur antikroppar binder sina mål varierar enormt, allt från ohjälpsamma "blockerande" antikroppar eller snävt fokuserade neutraliserande antikroppar, till mycket skyddande "bredt neutraliserande" antikroppar (bNAbs) som kan neutralisera ett brett spektrum av stammar av samma patogen. Sådana bNAbs är särskilt eftertraktade vid virusinfektioner som HIV, influensa och andra där viruset muterar för att undvika immunsvar som är för snäva eller fokuserade. Antikroppar uppstår när ett "immunogen" (ett immunogen är allt som inducerar ett immunsvar, vanligtvis ett främmande protein) tas upp av immunsystemet och visas för vita blodkroppar - T- och B-celler - av specialiserade immunceller. I vissa fall binder T- och B-cellerna immunogenerna till receptorer på deras yta, vilket utlöser ett immunsvar där T-celler "hjälper" B-celler att tillverka specifika antikroppar. Händelserna kring hur proteinet bearbetas till hanterbara delar, som visas för T- och B-cellerna, och mönstret av kemiska signaler som produceras av immuncellerna är mycket komplexa, men avgör till slut hur brett antikroppssvaret kommer att vara (dess bredd). För infektioner som HIV och influensa har årtionden av forskning och kliniska vaccinförsök haft begränsad eller ingen framgång. För att ta HIV som exempel, har vi en nästan fullständig brist på förståelse för hur immunogener interagerar med den naiva humana B-cellsreceptorrepertoaren (BCR) och de vägar som krävs för att inducera bNAbs under en infektion eller efter en immunisering. Djurmodeller har misslyckats eftersom de naiva, könslinjekodade, B-cellsantikroppsreceptorrepertoarerna för icke-mänskliga arter är tillräckligt olika från människors för att göra design och val av vaccin baserat på icke-mänskliga arter problematisk. Dessutom har bNAbs isolerade från HIV-1-infekterade individer strukturella egenskaper som förekommer sällan eller inte alls hos andra däggdjur, såsom ovanligt långa loop-bindande regioner (CDRH3-slingor) som krävs för att penetrera förbi glykaner på ytan av kuvertspetsen som sköldnyckelneutraliserande epitoper (Mascola JR 2013). Det finns därför ett kritiskt behov av att bättre förstå, i humana experimentella medicinmodeller för immunutmaning, hur immunogener och B/T-celler interagerar i utvecklingen av skyddande bNAb-antivirala svar.

Vårt tillvägagångssätt för att lösa detta återvändsgränd är att utmana det mänskliga immunsystemet med rationellt utformade modellimmunogener för att bestämma de strukturella och andra egenskaper som krävs för att driva humana B-cellsantikroppssvar mot neutraliseringsbredd. Vi har valt HIV som en experimentell modell eftersom det finns en rimlig förståelse för specificiteten och funktionen hos anti-HIV-bNAbs, såväl som ett akut behov av att identifiera nya immuniseringsmetoder efter årtionden av misslyckade eller dåligt framgångsrika försök. Det finns också en enorm databas över säkerhet med användning av HIV-proteiner som immunogener, och den tekniska expertisen för att designa och tillverka HIV-virusproteiner. Analyser för HIV-neutraliserande aktivitet är också väletablerade i våra laboratorier. Även om vi fokuserar på HIV, kommer våra resultat att vara tillämpliga på andra virusinfektioner.

De modellimmunogener vi föreslår att använda i dessa experimentella medicinstudier är osannolikt att vara lämpliga som vacciner, och varje klinisk utveckling skulle kräva iterativa cykler av designförfining och utveckling baserat på immunologiska insikter från dessa experimentella undersökningar. Därför ligger fokus på djupgående karakterisering av det framkallade immunsvaret på rationellt utformade modellimmunogener som kan informera designprocessen för faktiska vacciner. Detta experimentella medicinska tillvägagångssätt är först nu möjligt på grund av oöverträffade framsteg i vår förmåga att studera det mänskliga immunförsvaret och att erhålla fullständig information om immunsvar på vaccination, eftersom forskning om det mänskliga immunsystemet nu är nästan lika enkelt som det har varit i möss. Huvudfokus för denna studie kommer att vara att bestämma vilken av designstrategierna som kan prima mänskliga könsceller (naiva) B-celler och driva antikroppssvar mot induktion av neutraliserande antikroppsbredd.

Vårt utbud av modellimmunogener kommer att baseras på höljesglykoproteinet (Env) av HIV-1, som är det enda målet för neutraliserande antikroppar, och därför det enda viralt kodade immunogenet som är relevant för induktion av sådana antikroppar genom immunisering. För att säkerställa reproducerbarhet av resultaten och den högsta nivån av volontärsäkerhet kommer alla immunogener att tillverkas under cGMP, med hjälp av tekniker som tillämpas på vaccinimmunogener.

Env har omfattande aminosyravariation, strukturell och konformationell instabilitet och immunodominans av hypervariabla regioner (Kwong PD, 2011; Sattentau QJ, 2013). Vi kommer att designa lösliga immunogener som nära efterliknar den naturliga virala trimeren in situ, men som innehåller designstrategier som kan förändra de inneboende mekanismerna för virusimmunundvikande (Sanders RW, 2013). Env består av tre identiska komplex (trimerer) som var och en innehåller två molekyler, gp120 och gp41 som kan modifieras för att göra en löslig molekyl som kallas gp140, på vilken våra immunogener är baserade. Vi har utvecklat modellkonsensus gp140 Env-trimerer (konsensus för alla globala stammar) utformade för att prima B-cellssvar på vanliga epitoper representerade i alla HIV-1-subtyper. Vi har använt två designstrategier för att stabilisera dessa i en native-liknande konformation: ConM SOSIP och ConS UFO. ConM SOSIP-trimeren inkluderar nya mutationer som inkluderar inkorporeringen av en disulfidlänkning mellan gp120- och gp41-ektodomänen (som utgör gp140) som förhindrar deras dissociering till monomersubenheter.

ConS UFO inkluderar en kort flexibel aminosyralinker för att binda ihop gp120- och gp41-subenheterna som en alternativ strategi för att förhindra dissociation av Env-trimeren. Vi vill testa båda designerna för att bestämma effekten på B-cellsrepertoaren.

Ett viktigt komplement till vår konsensusbaserade modelldesign är att använda en cocktail av tre mosaik gp140 Env-trimerer utformade för att övervinna immunodominansen hos hypervariabla regioner av Env och för att avgöra om de kommer att fokusera antikroppssvar mot konserverade neutraliseringsepitoper. Även om de är designade med datoralgoritmer representerar dessa mosaiker autentiska Env-strukturer som är fullt funktionella och naturliga i sin konformation. Våra nya konstruktioner syftar till att eliminera oönskade immundominanta antikroppssvar och fokusera B-celler mot mycket konserverade supersites av sårbarhet på Env, med särskild tonvikt på kvartära bNAb-epitoper (Julien, JP, 2013; Kong L, 2013; Lyumkis D, 2013). Liksom ConM SOSIP- och ConS UFO-trimererna som beskrivits ovan, har mosaiktrimererna disulfidbindning som förhindrar disassociation av gp120 och gp41 till monomersubenheter.

I MOSAIC-studiegrupperna kommer vi att undersöka användningen av de tre mosaikimmunogenerna som används sekventiellt (i en serie av olika ordningar), eller som en cocktail, för att fokusera B-cellssvar mot konserverade områden av Env. För att amplifiera dessa svar avser vi att ge en slutlig förstärkande immunisering med båda konsensusimmunogenerna (ConM och ConS).

I vilken utsträckning dessa olika strategier kan inducera neutraliserande bredd, och identifieringen av de inblandade mekanismerna och drivkrafterna, kan endast bestämmas empiriskt genom humana immunogenutmaningsstudier.