模拟合理设计的合成模型病毒蛋白免疫原之间的相互作用 (EAVI2020_01)

人体免疫系统最有效的武器之一是极低浓度的抗体蛋白与病毒、细菌和毒素结合并“中和”它们的活性或感染能力的能力。 与可能导致组织破坏和病变的细胞免疫相反，抗体介导的免疫可以非常被动，同时可以完全预防感染。 抗体与其靶标结合的方式千差万别，从无用的“阻断”抗体或范围狭窄的中和抗体，到可以中和同一病原体的多种菌株的高度保护性“广泛中和”抗体 (bNAb)。 这种 bNAb 在 HIV、流感和其他病毒感染中特别受欢迎，在这些病毒感染中，病毒会发生变异以逃避过于狭窄或集中的免疫反应。 当“免疫原”（免疫原是任何能引起免疫反应的物质，通常是外来蛋白质）被免疫系统吸收并通过专门的免疫细胞显示给白细胞（T 细胞和 B 细胞）时，就会产生抗体。 在某些情况下，T 细胞和 B 细胞将免疫原与其表面的受体结合，引发免疫反应，T 细胞“帮助”B 细胞制造特异性抗体。 围绕蛋白质如何加工成可管理的片段、向 T 细胞和 B 细胞显示的事件，以及免疫细胞产生的化学信号模式非常复杂，但最终决定了抗体反应的范围（广度）。 对于 HIV 和流感等感染，数十年的研究和临床疫苗试验收效甚微或没有取得成功。 以 HIV 为例，研究人员几乎完全不了解免疫原如何与原始人类 B 细胞受体 (BCR) 库相互作用，以及在感染期间或免疫接种后诱导 bNAb 所需的途径。 动物模型失败了，因为非人类物种的天真、种系编码的 B 细胞抗体受体库与人类的完全不同，导致基于非人类物种的疫苗设计和选择存在问题。 此外，从感染 HIV-1 的个体中分离出的 bNAb 具有在其他哺乳动物中很少出现或根本不会出现的结构特征，例如需要穿透包膜尖峰表面聚糖的异常长的环结合区（CDRH3 环）屏蔽键中和表位 (Mascola JR 2013)。 因此，迫切需要在免疫挑战的人类实验医学模型中更好地了解免疫原和 B/T 细胞如何在保护性 bNAb 抗病毒反应的发展中相互作用。

我们解决这一僵局的方法是用合理设计的模型免疫原挑战人类免疫系统，以确定驱动人类 B 细胞抗体反应达到中和广度所需的结构和其他特征。 研究人员选择 HIV 作为实验模型，因为对抗 HIV bNAb 的特异性和功能有合理的了解，并且在数十年失败或不成功的试验后迫切需要确定新的免疫方法。 还有一个庞大的使用 HIV 蛋白作为免疫原的安全性数据库，以及设计和制造 HIV 病毒蛋白的技术专长。 我们的实验室也很好地建立了 HIV 中和活性的检测方法。 尽管关注的是 HIV，但我们的研究结果也适用于其他病毒感染。

实验医学研究中提出的模型免疫原不太可能适合作为疫苗，任何临床开发都需要根据从这些实验研究中收集的免疫学见解进行设计改进和开发的迭代循环。 因此，重点是深入表征对合理设计的模型免疫原引起的免疫反应，这可能为实际疫苗的设计过程提供信息。 由于我们研究人体免疫系统和获得疫苗免疫反应的完整信息的能力取得了空前的进步，这种实验医学方法现在才成为可能，因为现在对人体免疫系统进行研究几乎和过去一样容易老鼠。 本研究的主要重点将是确定哪些设计策略能够启动人类生殖系（幼稚）B 细胞并驱动抗体反应以诱导中和抗体宽度。

我们的模型免疫原范围将基于 HIV-1 的包膜 (Env) 糖蛋白，它是中和抗体的唯一目标，因此是与通过免疫诱导此类抗体相关的唯一病毒编码免疫原。 为确保结果的可重复性和最高水平的志愿者安全，所有免疫原都将根据 cGMP 生产，使用应用于疫苗免疫原的技术。

Env 具有广泛的氨基酸变异、结构和构象不稳定性以及高变区的免疫优势（Kwong PD，2011；Sattentau QJ，2013）。 我们的团队设计了可溶性免疫原，这些免疫原与原位天然病毒三聚体非常相似，但其结合的设计策略可能会改变内在的病毒免疫逃避机制 (Sanders RW, 2013)。 Env 由三个相同的复合物（三聚体）组成，每个复合物包含两个分子 gp120 和 gp41，可以对其进行修饰以制造称为 gp140 的可溶性分子，我们的免疫原基于该分子。 研究人员开发了模型共识 gp140 Env 三聚体（所有全球菌株的共识），旨在启动 B 细胞对所有 HIV-1 亚型中代表的常见表位的反应。 研究人员利用两种设计策略将它们稳定在类似天然的构象中：ConM SOSIP 和 ConS UFO。 ConM SOSIP 三聚体包括新的突变，包括在 gp120 和 gp41 胞外域（构成 gp140）之间掺入二硫键，防止它们分解成单体亚基。

ConS UFO 包括一个短的柔性氨基酸接头，将 gp120 和 gp41 亚基连接在一起，作为防止 Env 三聚体解离的替代策略。 研究人员希望测试这两种设计以确定对 B 细胞库的影响。 为了进一步稳定全局结构，研究人员采用了一种 EDC 交联方法，该方法已被证明可以保护 bNAb 表位、减少非抗病毒抗体反应并增强整体免疫原稳定性（Schiffner 等人，2015 年）。 因此，在本研究的第 1 部分中，研究人员将同时测试 EDC ConM SOSIP 和 EDC ConS UFO 版本。

我们基于共识的模型设计的一个重要辅助手段是使用三个镶嵌 gp140 Env 三聚体的混合物作为增强剂（第 2 部分）来克服 Env 高变区的免疫优势，并确定这是否会将抗体反应集中于保守的中和表位. 虽然使用计算机算法进行设计，但这些马赛克代表了真实的 Env 结构，这些结构具有完整的功能和天然的构象。 我们的新颖设计旨在消除不需要的免疫显性抗体反应，并将 B 细胞集中于高度保守的 Env 易损性超位点，特别强调四级 bNAb 表位（Julien，JP，2013 年；Kong L，2013 年；Lyumkis D，2013 年）。 这些不同的策略可能在多大程度上诱导中和广度，以及所涉及的机制和驱动因素的识别，只能通过人类免疫原挑战研究凭经验确定。