Editorial sobre el Tema de Investigación

Descubrimiento de Epítopos y Diseño de Vacunas Sintéticas

Las vacunas tradicionales y de primera generación se componen de patógenos vivos o enteros fijos, mientras que las vacunas de segunda generación incluyen, entre otros, los antígenos proteicos nativos purificados del patógeno. Además, las vacunas de tercera generación se componen de plásmidos de ADN capaces de expresar la secuencia de los antígenos proteicos patógenos más importantes en el huésped. Sin embargo, durante esta evolución de las vacunas, se ha producido un aumento de la seguridad, con una pérdida de eficacia que se ha compensado con el uso de adyuvantes.

El último paso en la evolución de las formulaciones de vacunas es el desarrollo de epítopo de las vacunas. Los epítopos son secuencias cortas de aminoácidos de una proteína que pueden inducir una respuesta inmune más directa y potente que la respuesta inducida por toda la proteína cognada (1).

Además, la estrategia para desarrollar vacunas epítopicas requiere un conocimiento preciso de la secuencia de aminoácidos de la proteína inmunogénica de interés. Por lo tanto, dado que las vacunas contra parásitos, bacterias o infecciones por virus y tumores requieren una respuesta inmunitaria celular para su prevención, control y curación, se desarrolló una estrategia llamada Vacunación Inversa (RV). El enfoque RV utiliza la información de la secuencia de codones contenida en el ADN del patógeno para obtener un ADNc complementario, y lo traduce aún más para obtener la secuencia de la proteína de interés. Una vez que estas proteínas están dentro de las células presentadoras de antígenos (APC) del huésped, se procesan. Los epítopos de las células T son entonces escindidos proteolíticamente de la proteína, y expuestos aún más por las moléculas MHC de la superficie APC, para interactuar con los receptores de las células T. Por lo tanto, con el conocimiento de la secuencia primaria del antígeno proteico, los epítopos se pueden identificar clonando los dominios o péptidos más pequeños de la proteína por separado y determinando experimentalmente cuál es más inmunogénico, o alternativamente, seleccionando toda la secuencia proteica utilizando programas de predicciones in silico .

La estructura de las moléculas MHC en APC, las moléculas MHC clase I tienen una sola cadena alfa que influye en la unión, y el surco de unión se encuentra entre los dominios alfa 1 y alfa 2 (Fleri et al.). Dado que la ranura de unión está cerrada, solo puede acomodar péptidos más cortos (8-14 aminoácidos). El núcleo de unión de ranuras tiene solo nueve aminoácidos. Por el contrario, las moléculas MHC de clase II tienen dos cadenas, alfa y beta, que influyen en la unión. La ranura de unión está abierta y puede acomodar péptidos más largos (13-25 aminoácidos), pero el núcleo de unión tiene 9 residuos de aminoácidos con 0-5 residuos flanqueando a cada lado. Solo la cadena alfa es variable en moléculas de clase I, por lo que la nomenclatura es «HLA» seguida del locus A, B o C, un asterisco y el número del alelo que representa. Para las moléculas de clase II, tanto las cadenas alfa como beta se unen al impacto y ambas cadenas son variables para los loci DP y DQ. Sin embargo, para el locus DR, solo la cadena beta es variable (Fleri et al.). Para todas las características mencionadas, la predicción de unión MHC clase II es más difícil que la de las moléculas de clase I. Sobre la base de diferentes algoritmos de aprendizaje automático, se desarrollaron varias predicciones como herramientas para identificar los epítopos de células T de los antígenos proteicos .

En cambio, para infecciones parasitarias, virales, bacterianas y tumores, cuya prevención, control y curación requiere el desarrollo de una respuesta de anticuerpos potente, el problema es más complejo. De hecho, la mayoría de los epítopos de células B son epítopos discontinuos compuestos por residuos de aminoácidos ubicados en regiones separadas de la proteína, y que se unen mediante el plegado de la cadena (4). Estos grupos de residuos no pueden aislarse como tales del antígeno. Por lo tanto, la estrategia utilizada para estos casos se denomina vacunología inversa de base estructural (SBRV), y se centra en el uso de anticuerpos monoclonales contra el antígeno proteico. Hay seis regiones determinantes complementarias (4) o regiones de unión a antígenos (ABR) (5), en la molécula de anticuerpo que puede interactuar con el antígeno. Un sitio de unión al antígeno, también llamado paratopo, que es una región pequeña (de 10 a 15 aminoácidos) es la parte del anticuerpo que reconoce y se une a un antígeno. Sin embargo, cada ABR difiere significativamente en su composición de aminoácidos y tiende a unirse a diferentes tipos de aminoácidos en la superficie de las proteínas. A pesar de estas diferencias, la preferencia combinada de los seis ABR no permite que los epítopos se distingan del resto de la superficie de la proteína. Estos hallazgos explican el escaso éxito de los métodos pasados y nuevos propuestos para predecir epítopos proteicos (4, 5). La estrategia SBVR se utiliza para estudiar la interacción del complejo compuesto por el anticuerpo monoclonal con la proteína con el fin de identificar a qué aminoácidos de la proteína antígeno, el ABR o el paratopo del anticuerpo monoclonal se unen. El objetivo de este enfoque es dilucidar indirectamente la posible secuencia de aminoácidos del epítopo discontinuo. Sin embargo, la búsqueda de los epítopos que interactúan con los anticuerpos es una tarea mucho más difícil para la cual los algoritmos de predicción exitosos son casi inexistentes. En consecuencia, esta estrategia no ha tenido mucho éxito (4, 5).

La incapacidad de los péptidos lineales sintéticos para imitar eficazmente los epítopos discontinuos es una de las razones del fracaso de muchas vacunas sintéticas de células B para inducir la síntesis de anticuerpos neutralizantes. Estos hechos explican en parte por qué, a pesar de que se han identificado más de mil péptidos sintéticos de células B, solo 125 de ellos han progresado a la fase I, 30 de ellos a la fase II, y ninguno de ellos ha tenido éxito en ensayos de fase III o ha sido autorizado para uso humano (4).

Por lo tanto, mientras que el RV generalmente se refiere al análisis in silico de todo el genoma del patógeno para identificar todos los antígenos que el patógeno es capaz de expresar, el SBRV se refiere al enfoque que intenta generar una vacuna a partir de la estructura cristalográfica conocida de los anticuerpos neutralizantes unidos a los epítopos (6).

En el caso de infecciones prevenibles por respuesta de anticuerpos, el término antigenicidad se ha confundido con frecuencia con inmunogenicidad (7). De hecho, los epítopos de algunos antígenos virales a menudo se consideran erróneamente como inmunógenos, cuando son solo antígenos, ya que pueden interactuar con una variedad de anticuerpos producidos contra un virus, pero no son capaces de inducir la síntesis de los anticuerpos neutralizantes dedicados a la protección (7). Anteriormente, se pensaba que si un epítopo antigénico se unía fuertemente a un anticuerpo monoclonal neutralizante in vitro, también podría inducir la síntesis de anticuerpos neutralizantes cuando se usa como vacuna. Sin embargo, esto no es cierto (7).

Además, se han desarrollado otros conceptos en asociación con la estrategia de RV (6). El concepto de RV 1.0 es un enfoque basado en la bioinformática y la inmunización y el desafío de animales utilizados para determinar qué antígenos son más apropiados para la vacunación (8). En contraste, el concepto de RV 2.0 se refiere a una estrategia que obtiene anticuerpos monoclonales de los pocos individuos que hacen una respuesta de anticuerpos fuerte contra la infección natural. Estos anticuerpos monoclonales guían el diseño de la vacuna en la dirección de reversión del flujo normal de vacunas a los anticuerpos (8).

Además, el concepto de «diseño racional de vacunas» se utilizó muy a menudo creando la expectativa de tener el mismo éxito que la estrategia de «diseño racional de medicamentos» obtenida anteriormente. Sin embargo, el «diseño racional del fármaco» está relacionado con el desarrollo de análogos químicos que son inhibidores perfectos del sitio activo de enzimas vitales importantes del patógeno. En contraste, los investigadores involucrados en el desarrollo de la vacuna contra el VIH afirmaron que utilizan el «diseño racional de la vacuna», mientras que de hecho solo mejoraron la capacidad de unión antigénica de un epítopo con respecto a un solo paratopo, y no la capacidad inmunogénica de un epítopo para obtener anticuerpos neutralizantes. Estas conclusiones generaron fuertes críticas .

En contraste, el presente Tema de Investigación utiliza el concepto de «Descubrimiento de Epítopos y Diseño de Vacunas Sintéticas» como lo ilustran Kao y Hodges (1). Estos autores demostraron que las vacunas sintéticas basadas en péptidos cortos, que representan epítopos inmunogénicos, pueden deteriorar e incluso superar el potencial protector de la proteína entera cognada nativa. Encontraron títulos de anticuerpos más altos dirigidos al dominio de unión al receptor del Pilus A de Pseudomonas aeruginosa, que tiene 14 aminoácidos, que a toda la proteína nativa de pilina. Los títulos contra la pilina nativa de los animales inmunizados con el conjugado de péptidos sintéticos fueron más altos que los títulos de los animales inmunizados con toda la proteína pilina. Además, las afinidades de los sueros antipeptídicos para el dominio de unión al receptor de pilina intacto fueron significativamente mayores que las afinidades de los sueros antipilínicos (1).

Apoyamos el desarrollo de vacunas epítopicas que combinan enfoques inmunoinformáticos y biológicos experimentales (Alves-Silva et al.; Barbosa Santos et al.). Se utilizó un enfoque inmunoinformático para mejorar la eficacia de las vacunas existentes compuestas por antígenos proteicos que se seleccionaron de acuerdo con su relevancia en resultados biológicos experimentales anteriores. Nuestros resultados también mostraron que las vacunas compuestas por los dominios inmunogénicos, optimizan e incluso superan el potencial protector inducido por toda la proteína (1). Por ejemplo, logramos una optimización del 33% de la eficacia de la vacuna mediante el uso de una quimera recombinante, que contiene los dos dominios que contienen los epítopos más inmunogénicos de la Nucleósido hidrolasa NH36 de Leishmania, en lugar de toda la proteína NH36 (Alves-Silva et al.). Estos dos dominios (F1 y F3) contienen los epítopos más potentes para la generación de protección profiláctica contra la infección por Leishmania (L.) amazonensis (Alves-Silva et al.). La vacunación con la proteína NH36 reduce el tamaño de las lesiones en un 55% (10). Sin embargo, la vacunación con los dominios F1 y F3 determinó de forma independiente reducciones respectivas de 70 y 77%, y la quimera F1F3 indujo una reducción de 82% en el tamaño de las lesiones de la almohadilla (Alves-Silva et al.).

Este entusiasmo tras la llegada de las herramientas inmunoinformáticas y el hallazgo de epítopos a través de predicciones in silico no debe devaluar los fundamentos empíricos de toda la ciencia experimental involucrada en el desarrollo de las vacunas que controlan las enfermedades hasta el presente (6). Por el contrario, tanto las herramientas empíricas como las in silico deben utilizarse juntas en el desarrollo de nuevas vacunas epítopicas sintéticas que ofrezcan ventajas sobre las vacunas tradicionales. Son antígenos químicamente definidos libres de efectos nocivos. Además, a diferencia de las vacunas vivas atenuadas, no revierten a la virulencia en sujetos inmunodeprimidos y, a diferencia de las vacunas genéticas, no implican cuestiones éticas.

Con este Tema de investigación, creemos que hemos hecho contribuciones significativas al desarrollo de vacunas epítopicas sintéticas que pueden ayudar en la prevención, el tratamiento y el control de enfermedades infecciosas y cáncer.

Contribuciones de los autores

CP-d-S, DSR e ISS redactaron y aprobaron el texto final de este Editorial.

Declaración de Conflicto de Intereses

Los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un posible conflicto de intereses.

Agradecimientos

Los autores agradecen a David Straker por la revisión del idioma.

Financiación

Este trabajo fue apoyado por el Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) y la Fundação Carlos Chagas de Amparo à Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ) .