Editorial on the Research Topic

Epitope Discovery and Synthetic Vaccine Design

Traditional and first generation vaccines are composited of live or fixed whole pathogens, while second generation rocces included in the pathogen. Lisäksi kolmannen sukupolven rokotteet koostuvat DNA-plasmideista, jotka kykenevät ilmaisemaan isäntäeläimen tärkeimpien patogeeniproteiini-antigeenien sekvenssin. Tämän rokotteiden kehityksen aikana turvallisuus on kuitenkin parantunut ja teho on heikentynyt, mikä on kompensoitu adjuvanttien käytöllä.

viimeisin vaihe rokotevalmisteiden kehityksessä on epitope-rokotteiden kehittäminen. Epitoopit ovat proteiinin lyhyitä aminohapposekvenssejä, jotka voivat indusoida suoremman ja voimakkaamman immuunivasteen kuin koko kognaattiproteiinin aiheuttama vaste (1).

epitooppirokotteiden kehittämisstrategia edellyttää lisäksi tarkkaa tietoa kyseessä olevan immunogeenisen proteiinin aminohappojärjestyksestä. Siksi, koska rokotteet loisia, bakteereja tai virusinfektioita ja kasvaimia vastaan vaativat solullisen immuunivasteen ehkäisyyn, valvontaan ja parantamiseen, kehitettiin strategia nimeltä Reverse Vaccinology (RV). RV-lähestymistavassa käytetään patogeenin DNA: n sisältämän kodonijakson tietoja täydentävän cDNA: n saamiseksi ja edelleen käännetään se kiinnostavan proteiinin sekvenssin saamiseksi. Kun nämä proteiinit ovat isännän antigeenejä esittelevien solujen (APC) sisällä, ne käsitellään. Tämän jälkeen T-solujen epitoopit pilkkoutuvat proteiinista proteolyyttisesti, ja APC-pinnan MHC-molekyylit altistavat ne edelleen vuorovaikutukseen T-solujen reseptorien kanssa. Siksi, kun tiedetään proteiinin antigeenin ensisijainen sekvenssi, epitoopit voidaan tunnistaa kloonaamalla proteiinin domeenit tai pienemmät peptidit erikseen ja kokeellisesti määrittämällä, kumpi on immunogeenisempi, tai vaihtoehtoisesti seulomalla koko proteiinijakso käyttäen in silico-ennustusohjelmia .

MHC-molekyylien rakenne APC: ssä, MHC-luokan I molekyyleissä on yksi sitoutumiseen vaikuttava alfaketju, ja sitova ura sijaitsee alfa 1-ja alpha 2-domeenien välissä (Fleri et al.). Koska sidosura on suljettu, siihen mahtuu vain lyhyempiä peptidejä (8-14 aminohappoa). Uransidontaytimessä on vain yhdeksän aminohappoa. MHC-luokan II molekyyleissä sen sijaan on kaksi ketjua, alfa ja beeta, jotka vaikuttavat sitoutumiseen. Sitova ura on avoin ja siihen mahtuu pidempiä peptidejä (13-25 aminohappoa), mutta sitovassa ytimessä on 9 aminohappojäämää, joiden kummallakin puolella on 0-5 jäämää. Vain alfaketju on muuttuva luokan I molekyyleissä, joten nimistö on ”HLA”, jota seuraa lokus A, B tai C, tähti ja sen edustaman alleelin numero. Luokan II molekyyleissä sekä alfa-että beetaketjujen törmäyssidonta ja niiden molemmat ketjut ovat vaihtelevia DP-ja DQ-lokuksissa. Kuitenkin Dr-lokuksen osalta vain beetaketju on muuttuva (Fleri et al.). Kaikkien mainittujen ominaisuuksien osalta MHC – luokan II sitovuuden ennustaminen on haastavampaa kuin luokan I molekyylien. Erilaisten koneoppimisalgoritmien pohjalta kehitettiin useita ennusteita, joiden avulla voitiin tunnistaa proteiiniantigeenien T-solujen epitooppeja .

sen sijaan Lois -, virus -, bakteeri-infektioissa ja kasvaimissa, joiden ehkäisy ja hoito vaatii voimakkaan vasta-ainevasteen kehittämistä, ongelma on monimutkaisempi. Itse asiassa suurin osa B-solun epitoopeista on epäjatkuvia epitooppeja, jotka koostuvat proteiinin erillisillä alueilla sijaitsevista aminohappojäännöksistä, jotka ovat liittyneet toisiinsa ketjun taittuessa (4). Näitä jäämäryhmiä ei voida sellaisenaan eristää antigeenistä. Siksi näissä tapauksissa käytettyä strategiaa kutsutaan rakenteelliseksi käänteisvaccinologiaksi (sbrv), ja siinä keskitytään monoklonaalisten vasta-aineiden käyttöön proteiini-antigeenia vastaan. Vasta-ainemolekyylissä on kuusi toisiaan täydentävää määritysaluetta (4) tai antigeenia sitovaa aluetta (ABRs) (5), jotka voivat olla vuorovaikutuksessa antigeenin kanssa. Antigeenin sitoutumiskohta, jota kutsutaan myös paratoopeiksi, joka on pieni alue (10-15 aminohappoa) on vasta-aineen osa, joka tunnistaa antigeenin ja sitoutuu siihen. Jokainen ABR eroaa kuitenkin merkittävästi aminohappokoostumukseltaan ja pyrkii sitomaan erityyppisiä aminohappoja proteiinien pinnalle. Näistä eroista huolimatta kuuden Abrsin yhteisvalinta ei mahdollista epitooppien erottamista muusta proteiinipinnasta. Nämä havainnot selittävät aiempien ja vasta ehdotettujen proteiinien epitooppien ennustusmenetelmien heikon menestyksen (4, 5). SBVR-strategian avulla tutkitaan monoklonaalisesta vasta-aineesta koostuvan kompleksin vuorovaikutusta proteiinin kanssa sen selvittämiseksi, mihin antigeeniproteiinin aminohappoihin, monoklonaalisen vasta-aineen ABR-tai paratooppiin sitoutuu. Tämän lähestymistavan tavoitteena on valaista epäjatkuvan epitoopin potentiaalinen aminohappojärjestys epäsuorasti. Vasta-aineiden kanssa vuorovaikutuksessa olevien epitooppien etsiminen on kuitenkin paljon vaikeampi tehtävä, johon onnistuneissa ennustusalgoritmeissa on kyse olemattomista. Näin ollen tämä strategia ei ole saavuttanut suurta menestystä (4, 5).

synteettisten lineaaristen peptidien kyvyttömyys jäljitellä tehokkaasti epäjatkuvia epitooppeja on yksi syy siihen, että monet B-solujen synteettiset rokotteet eivät kykene indusoimaan neutraloivien vasta-aineiden synteesiä. Nämä seikat selittävät osittain sen, että vaikka yli tuhat synteettistä B-solupeptidiä on tunnistettu, vain 125 niistä on edennyt vaiheeseen I, 30 niistä vaiheeseen II, eikä yksikään niistä ole menestynyt vaiheen III kokeissa tai saanut lupaa ihmisten käyttöön (4).

näin ollen, vaikka RV yleensä viittaa koko taudinaiheuttajan genomin in silico-analyysiin, jossa tunnistetaan kaikki antigeenit, joita taudinaiheuttaja pystyy ilmaisemaan, SBRV viittaa lähestymistapaan, jossa pyritään tuottamaan rokote epitoopeihin sitoutuneiden neutraloivien vasta-aineiden tunnetusta kristallografisesta rakenteesta (6).

vasta-ainevasteella ehkäistävissä infektioissa termi antigeenisyys on usein sekoitettu immunogeenisuuteen (7). Itse asiassa joidenkin virusantigeenien epitooppeja pidetään usein virheellisesti immunogeeneina, kun ne ovat vain antigeenejä, koska ne voivat olla vuorovaikutuksessa erilaisten virusta vastaan nostettujen vasta-aineiden kanssa, mutta ne eivät kykene indusoimaan suojaukseen osallistuvien neutraloivien vasta-aineiden synteesiä (7). Aiemmin ajateltiin, että jos antigeeninen epitooppi sitoutuu voimakkaasti neutraloivaan monoklonaaliseen vasta-aineeseen in vitro, se pystyisi myös rokotteena käytettynä indusoimaan neutraloivien vasta-aineiden synteesiä. Tämä ei kuitenkaan pidä paikkaansa (7).

lisäksi RV-strategian yhteydessä on kehitetty muita käsitteitä (6). RV 1.0 on bioinformatiikkaan ja eläinten immunisointiin ja haasteeseen perustuva lähestymistapa, jonka avulla määritetään, mitkä antigeenit soveltuvat paremmin rokotukseen (8). Sen sijaan RV 2.0: n käsite viittaa strategiaan, joka saa monoklonaalisia vasta-aineita niiltä harvoilta yksilöiltä, jotka tekevät vahvan vasta-ainevasteen luonnollista infektiota vastaan. Nämä monoklonaaliset vasta-aineet ohjaavat rokotteen rakennetta siten, että rokotteiden normaali virtaus antiruumiille kääntyy päinvastaiseksi (8).

lisäksi käytettiin hyvin usein ”rationaalisen rokotteen suunnittelun” käsitettä, joka loi odotuksen samanlaisesta menestyksestä kuin aiemmin saatu ”rationaalisen lääkesuunnittelun” strategia. Kuitenkin ”rationaalinen lääkesuunnittelu” liittyy kemiallisten analogien kehittämiseen, jotka ovat täydellisiä taudinaiheuttajan tärkeiden elintärkeiden entsyymien aktiivisen kohdan estäjiä. Sen sijaan HIV-rokotteen kehittämiseen osallistuneet tutkijat väittivät käyttävänsä ”rationaalista rokotesuunnittelua”, vaikka todellisuudessa he vain paransivat yhden epitoopin antigeenistä sitoutumiskykyä suhteessa vain yhteen paratooppiin, eivätkä epitoopin immunogeenista kykyä saada aikaan neutraloivia vasta-aineita. Nämä johtopäätökset herättivät voimakasta kritiikkiä .

sen sijaan tässä Tutkimuskohteessa käytetään Kaon ja Hodgesin kuvaamaa käsitettä ”Epitope Discovery and Synthetic Vaccine Design” (1). Nämä kirjoittajat osoittivat, että synteettiset rokotteet, jotka perustuvat lyhyisiin peptideihin, jotka edustavat immunogeenisia epitooppeja, pystyvät heikentämään ja jopa ylittämään natiivin koko proteiinin suojaavan potentiaalin. He löysivät suuremmat vasta-ainetitterit, jotka oli suunnattu Pseudomonas aeruginosa-bakteerin Pilus A: n reseptoreita sitovaan domeeniin, jossa on 14 aminohappoa, kuin koko Pilin-alkuaineproteiiniin. Synteettisellä peptidikonjugaatilla immunisoitujen eläinten tiitterit alkuperäistä piliniä vastaan olivat korkeammat kuin koko piliiniproteiinilla immunisoitujen eläinten tiitterit. Lisäksi antipeptidiseerumien affiniteetit ehjään piliinireseptoriin sitoutuvassa domeenissa olivat merkitsevästi suuremmat kuin anti-piliiniproteiiniseerumien affiniteetit (1).

tuemme epitope-rokotteiden kehittämistä, joissa yhdistyvät immunoinformatiikka ja kokeelliset biologiset lähestymistavat (Alves-Silva ym.; Barbosa Santos et al.). Käytimme immunoinformaattista lähestymistapaa parantaaksemme olemassa olevien rokotteiden tehoa, jotka koostuvat proteiiniantigeeneistä, jotka on valittu sen mukaan, mikä merkitys niillä on aiemmissa kokeellisissa biologisissa tuloksissa. Tuloksemme osoittivat myös, että rokotteet, jotka koostuvat immunogeenisista alueista, optimoivat ja jopa ylittävät koko proteiinin aiheuttaman suojaavan potentiaalin (1). Saavutimme esimerkiksi rokotteen tehon 33% optimoinnin käyttämällä rekombinanttikimairaa, joka sisältää kaksi domeenia, joilla on leishmanian Nukleosidihydrolaasin NH36 immunogeenisimmat epitoopit, koko nh36-proteiinin sijaan (Alves-Silva et al.). Näillä kahdella alueella (F1 ja F3) on tehokkain epitooppi profylaktisen suojan tuottamiseksi Leishmania (L.) amazonensis-infektiota vastaan (Alves-Silva et al.). Nh36-proteiinilla rokottaminen pienentää leesioiden kokoa 55% (10). Rokotus F1-ja F3-alueilla määritti kuitenkin itsenäisesti vastaavat 70 ja 77%: n vähennykset, ja f1f3-Kimera aiheutti 82%: n vähennyksen jalkalevyn leesion koossa (Alves-Silva et al.).

tämän innostuksen, joka on syntynyt immunoinformaattisten välineiden käyttöönoton jälkeen ja epitooppien löytämisen in silico-ennusteiden avulla, ei pitäisi heikentää kaikkien sellaisten kokeellisten tieteiden empiiristä perustaa, jotka ovat tähän asti osallistuneet tauteja hillitsevien rokotteiden kehittämiseen (6). Päinvastoin sekä empiirisiä että in silico-välineitä olisi käytettävä yhdessä uusien synteettisten epitooppirokotteiden kehittämisessä, jotka tarjoavat etuja perinteisiin rokotteisiin verrattuna. Ne ovat kemiallisesti määriteltyjä antigeenejä, joilla ei ole haitallisia vaikutuksia. Lisäksi, toisin kuin eläviä heikennettyjä rokotteita, ne eivät palaa virulenssiin immuunipuutteisilla henkilöillä, ja toisin kuin geneettiset rokotteet, niihin ei liity eettisiä kysymyksiä.

tämän tutkimusaiheen myötä uskoimme edistäneemme merkittävästi sellaisten synteettisten epitooppirokotteiden kehittämistä, jotka voivat auttaa tartuntatautien ja syövän ehkäisyssä, hoidossa ja hallinnassa.

Tekijäosuudet

CP-d-s, DSR ja ISS kirjoittivat ja hyväksyivät tämän pääkirjoituksen lopullisen tekstin.

Eturistiriitalausunto

kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin pitää mahdollisena eturistiriitana.

kiitokset

kirjoittajat kiittävät David Strakeria kielikatsauksesta.

rahoitusta

tätä työtä tukivat Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) ja Fundação Carlos Chagas de Amparo à Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ) .