Editorial sur le sujet de recherche

Découverte d’épitopes et Conception de vaccins synthétiques

Les vaccins traditionnels et de première génération sont composés d’agents pathogènes entiers vivants ou fixes, tandis que les vaccins de deuxième génération incluent, entre autres, les antigènes protéiques natifs purifiés de l’agent pathogène. De plus, les vaccins de troisième génération sont composés de plasmides d’ADN capables d’exprimer la séquence des antigènes protéiques pathogènes les plus importants chez l’hôte. Au cours de cette évolution des vaccins, il y a cependant eu un gain de sécurité avec une perte d’efficacité compensée par l’utilisation d’adjuvants.

La dernière étape dans l’évolution des formulations vaccinales est le développement de vaccins à épitopes. Les épitopes sont de courtes séquences d’acides aminés d’une protéine qui peuvent induire une réponse immunitaire plus directe et plus puissante que la réponse induite par l’ensemble de la protéine apparentée (1).

De plus, la stratégie de développement de vaccins à épitopes nécessite une connaissance précise de la séquence d’acides aminés de la protéine immunogène d’intérêt. Par conséquent, étant donné que les vaccins contre les infections et les tumeurs parasitaires, bactériennes ou virales nécessitent une réponse immunitaire cellulaire pour la prévention, le contrôle et la guérison, une stratégie appelée vaccinologie inverse (RV) a été développée. L’approche RV utilise l’information de la séquence de codon contenue dans l’ADN de l’agent pathogène pour obtenir un ADNc complémentaire, et la traduit en outre pour obtenir la séquence de la protéine d’intérêt. Une fois que ces protéines sont à l’intérieur des cellules présentatrices d’antigènes (APC) de l’hôte, elles sont traitées. Les épitopes des lymphocytes T sont ensuite clivés protéolytiquement à partir de la protéine, puis exposés par les molécules de CMH de la surface de l’APC, pour interagir avec les récepteurs des lymphocytes T. Par conséquent, avec la connaissance de la séquence primaire de l’antigène protéique, les épitopes peuvent être identifiés en clonant séparément les domaines ou les peptides plus petits de la protéine et en déterminant expérimentalement lequel est le plus immunogène, ou bien en criblant la séquence protéique entière à l’aide de programmes de prédictions in silico.

La structure des molécules du CMH sur l’APC, les molécules du CMH de classe I ont une seule chaîne alpha qui influence la liaison, et le sillon de liaison se situe entre les domaines alpha 1 et alpha 2 (Fleri et al.). Comme le sillon de liaison est fermé, il ne peut accueillir que des peptides plus courts (8 à 14 acides aminés). Le noyau de liaison de la rainure ne contient que neuf acides aminés. Les molécules du CMH de classe II ont en revanche deux chaînes, alpha et bêta, qui influencent la liaison. La rainure de liaison est ouverte et peut accueillir des peptides plus longs (13-25 acides aminés), mais le noyau de liaison a 9 résidus d’acides aminés avec 0-5 résidus flanquant de chaque côté. Seule la chaîne alpha est variable dans les molécules de classe I, la nomenclature est donc « HLA” suivie du locus A, B ou C, d’un astérisque et du numéro de l’allèle qu’elle représente. Pour les molécules de classe II, les chaînes alpha et bêta impactent la liaison et leurs deux chaînes sont variables pour les loci DP et DQ. Cependant, pour le locus DR, seule la chaîne bêta est variable (Fleri et al.). Pour toutes les caractéristiques mentionnées, la prédiction de la liaison au CMH de classe II est plus difficile que celle des molécules de classe I. Sur la base de différents algorithmes d’apprentissage automatique, plusieurs prédictions ont été développées comme outils pour identifier les épitopes des cellules T des antigènes protéiques.

En revanche, pour les infections parasitaires, virales, bactériennes et les tumeurs, dont la prévention, le contrôle et la guérison nécessitent le développement d’une réponse anticorps puissante, le problème est plus complexe. En effet, la majorité des épitopes de cellules B sont des épitopes discontinus composés de résidus d’acides aminés situés sur des régions distinctes de la protéine, et qui sont reliés entre eux par le repliement de la chaîne (4). Ces groupes de résidus ne peuvent pas être isolés en tant que tels de l’antigène. Par conséquent, la stratégie utilisée pour ces cas est appelée vaccinologie inverse basée sur la structure (SBRV), et elle se concentre sur l’utilisation d’anticorps monoclonaux contre l’antigène protéique. Il y a six régions de détermination complémentaires (4) ou régions de liaison à l’antigène (ABR) (5), dans la molécule d’anticorps qui peuvent interagir avec l’antigène. Un site de liaison à l’antigène, également appelé paratope, qui est une petite région (de 10 à 15 acides aminés) est la partie de l’anticorps qui reconnaît et se lie à un antigène. Cependant, chaque ABR diffère de manière significative dans sa composition en acides aminés et tend à lier différents types d’acides aminés à la surface des protéines. Malgré ces différences, la préférence combinée des six ABR ne permet pas de distinguer les épitopes du reste de la surface protéique. Ces résultats expliquent le faible succès des méthodes antérieures et nouvellement proposées pour prédire les épitopes protéiques (4, 5). La stratégie SBVR est utilisée pour étudier l’interaction du complexe composé de l’anticorps monoclonal avec la protéine afin d’identifier à quels acides aminés de la protéine antigénique, l’ABR ou le paratope de l’anticorps monoclonal se lie. L’objectif de cette approche est d’élucider indirectement la séquence potentielle d’acides aminés de l’épitope discontinu. Cependant, la recherche des épitopes qui interagissent avec les anticorps est une tâche beaucoup plus difficile à laquelle les algorithmes de prédiction réussis sont à peu près inexistants. Par conséquent, cette stratégie n’a pas connu beaucoup de succès (4, 5).

L’incapacité des peptides linéaires synthétiques à imiter efficacement les épitopes discontinus est l’une des raisons de l’échec de nombreux vaccins synthétiques à cellules B à induire la synthèse d’anticorps neutralisants. Ces faits expliquent en partie pourquoi, même si plus d’un millier de peptides de cellules B synthétiques ont été identifiés, seuls 125 d’entre eux sont passés à la phase I, 30 d’entre eux à la phase II, et aucun d’entre eux n’a réussi à des essais de phase III ou n’a été autorisé pour un usage humain (4).

Ainsi, alors que le RV se réfère généralement à l’analyse in silico de l’ensemble du génome de l’agent pathogène pour identifier tous les antigènes que l’agent pathogène est capable d’exprimer, le SBRV se réfère à l’approche qui tente de générer un vaccin à partir de la structure cristallographique connue des anticorps neutralisants liés aux épitopes (6).

Dans le cas d’infections évitables par une réponse anticorps, le terme antigénicité a souvent été confondu avec immunogénicité (7). En effet, les épitopes de certains antigènes viraux sont souvent considérés à tort comme des immunogènes, lorsqu’ils ne sont que des antigènes, car ils peuvent interagir avec une variété d’anticorps élevés contre un virus, mais ils ne sont pas capables d’induire la synthèse des anticorps neutralisants engagés dans la protection (7). Auparavant, on pensait que si un épitope antigénique se liait fortement à un anticorps monoclonal neutralisant in vitro, il serait également capable d’induire la synthèse d’anticorps neutralisants lorsqu’il était utilisé comme vaccin. Cependant, ce n’est pas vrai (7).

En outre, d’autres concepts ont été développés en association avec la stratégie de RV (6). Le concept de RV 1.0 est une approche basée sur la bioinformatique et l’immunisation animale et le défi utilisé pour déterminer quels antigènes sont les plus appropriés pour la vaccination (8). En revanche, le concept de RV 2.0 fait référence à une stratégie qui obtient des anticorps monoclonaux des quelques individus qui font une forte réponse anticorps contre une infection naturelle. Ces anticorps monoclonaux guident la conception du vaccin dans le sens d’inversion du flux normal de vaccins vers les anticorps (8).

De plus, le concept de « conception rationnelle de vaccins” a été très souvent utilisé, créant l’espoir d’avoir le même succès que la stratégie de « conception rationnelle de médicaments” obtenue auparavant. Cependant, la « conception rationnelle du médicament” est liée au développement d’analogues chimiques qui sont des inhibiteurs parfaits du site actif d’enzymes vitales importantes de l’agent pathogène. En revanche, les chercheurs impliqués dans le développement du vaccin contre le VIH ont affirmé qu’ils utilisaient la « conception rationnelle du vaccin” alors qu’en fait, ils n’amélioraient que la capacité de liaison antigénique d’un épitope par rapport à un seul paratope, et non la capacité immunogène d’un épitope à provoquer des anticorps neutralisants. Ces conclusions ont suscité de vives critiques.

En revanche, le présent Sujet de recherche utilise le concept de « Découverte d’Épitopes et Conception de vaccins synthétiques » tel qu’illustré par Kao et Hodges (1). Ces auteurs ont démontré que les vaccins synthétiques à base de peptides courts, qui représentent des épitopes immunogènes, sont capables d’altérer et même de dépasser le potentiel protecteur de la protéine entière apparentée native. Ils ont trouvé des titres d’anticorps plus élevés dirigés vers le domaine de liaison aux récepteurs du Pilus A de Pseudomonas aeruginosa, qui contient 14 acides aminés, que vers la protéine native de la piline entière. Les titres contre la piline native des animaux immunisés avec le conjugué peptidique synthétique étaient plus élevés que les titres des animaux immunisés avec la protéine piline entière. De plus, les affinités des sérums anti-peptidiques pour le domaine intact de liaison au récepteur de la piline étaient significativement plus élevées que les affinités des sérums de protéines anti-pilines (1).

Nous soutenons le développement de vaccins à épitopes combinant immunoinformatique et approches biologiques expérimentales (Alves-Silva et al. Barbosa Santos et coll.). Nous avons utilisé une approche immunoinformatique pour améliorer l’efficacité de vaccins existants composés d’antigènes protéiques sélectionnés en fonction de leur pertinence dans des résultats biologiques expérimentaux antérieurs. Nos résultats ont également montré que les vaccins composés des domaines immunogènes, optimisent et même dépassent le potentiel protecteur induit par la protéine entière (1). Par exemple, nous avons obtenu une optimisation de 33% de l’efficacité du vaccin en utilisant une chimère recombinante, qui contient les deux domaines qui contiennent le plus d’épitopes immunogènes de la Nucléoside hydrolase NH36 de Leishmania, au lieu de la protéine NH36 entière (Alves-Silva et al.). Ces deux domaines (F1 et F3) contiennent les épitopes les plus puissants pour la génération de protection prophylactique contre l’infection à Leishmania (L.) amazonensis (Alves-Silva et al.). La vaccination avec la protéine NH36 réduit la taille des lésions de 55% (10). Cependant, la vaccination avec les domaines F1 et F3 a déterminé indépendamment des réductions respectives de 70 et 77%, et la chimère F1F3 a induit une réduction de 82% de la taille des lésions du coussinet plantaire (Alves-Silva et al.).

Cet enthousiasme venant après l’avènement des outils immunoinformatiques et la découverte d’épitopes via des prédictions in silico ne devrait pas dévaloriser les fondements empiriques de toute la science expérimentale impliquée dans le développement des vaccins qui contrôlent les maladies jusqu’à présent (6). Au contraire, les outils empiriques et in silico devraient être utilisés ensemble dans le développement de nouveaux vaccins à épitopes synthétiques offrant des avantages par rapport aux vaccins traditionnels. Ce sont des antigènes chimiquement définis exempts d’effets délétères. De plus, contrairement aux vaccins vivants atténués, ils ne reviennent pas à la virulence chez les sujets immunodéprimés et, contrairement aux vaccins génétiques, ils ne posent pas de questions éthiques.

Avec ce sujet de recherche, nous pensons avoir apporté une contribution significative au développement de vaccins à épitopes synthétiques susceptibles d’aider à la prévention, au traitement et au contrôle des maladies infectieuses et du cancer.

Contributions des auteurs

CP-d-S, DSR et ISS ont rédigé et approuvé le texte final de cet éditorial.

Déclaration sur les conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Les auteurs remercient David Straker pour sa revue linguistique.

Financement

Ce travail a été soutenu par le Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) et la Fundação Carlos Chagas de Amparo à Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ).