Editoriale sul tema di ricerca

Epitope Discovery and Synthetic Vaccine Design

I vaccini tradizionali e di prima generazione sono composti da patogeni interi vivi o fissi, mentre i vaccini di seconda generazione includono, tra gli altri, gli antigeni proteici nativi purificati dal patogeno. Inoltre, i vaccini di terza generazione sono costituiti da plasmidi di DNA in grado di esprimere la sequenza dei più importanti antigeni proteici patogeni nell’ospite. Durante questa evoluzione dei vaccini, c’è stato un guadagno in sicurezza, tuttavia, con una perdita di efficacia che è stata compensata con l’uso di adiuvanti.

L’ultimo passo nell’evoluzione delle formulazioni vaccinali è lo sviluppo di vaccini epitopi. Epitopi sono brevi sequenze di aminoacidi di una proteina che può indurre una risposta immunitaria più diretta e potente, rispetto alla risposta indotta dall’intera proteina affine (1).

Inoltre, la strategia per lo sviluppo di vaccini epitopi richiede un’accurata conoscenza della sequenza aminoacidica della proteina immunogenica di interesse. Pertanto, poiché i vaccini contro parassiti, batteri o infezioni da virus e tumori richiedono una risposta immunitaria cellulare per la prevenzione, il controllo e la cura, è stata sviluppata una strategia chiamata Vaccinologia inversa (RV). L’approccio RV utilizza le informazioni della sequenza di codoni contenute nel DNA del patogeno per ottenere un cDNA complementare e lo traduce ulteriormente per ottenere la sequenza della proteina di interesse. Una volta che queste proteine sono all’interno delle cellule presentanti l’antigene (APC) dell’ospite, vengono elaborate. Gli epitopi delle cellule T vengono quindi proteoliticamente scissi dalla proteina e ulteriormente esposti dalle molecole MHC della superficie APC, per interagire con i recettori delle cellule T. Pertanto, con la conoscenza della sequenza primaria dell’antigene proteico, gli epitopi possono essere identificati clonando separatamente i domini o i peptidi più piccoli della proteina e determinando sperimentalmente quale è più immunogenico, o in alternativa, schermando l’intera sequenza proteica utilizzando programmi di predizione del silico .

La struttura delle molecole MHC su APC, le molecole MHC di classe I hanno una singola catena alfa che influenza il legame e il solco di legame si trova tra i domini alfa 1 e alfa 2 (Fleri et al.). Poiché la scanalatura legante è chiusa, può ospitare solo peptidi più brevi (8-14 aminoacidi). Il nucleo di legame della scanalatura ha solo nove aminoacidi. Le molecole MHC di classe II, al contrario, hanno due catene, alfa e beta che influenzano il legame. La scanalatura legante è aperta e può accomodare i peptidi più lunghi (13-25 amminoacidi) ma il centro legante ha 9 residui dell’amminoacido con 0-5 residui che fiancheggiano da ogni lato. Solo la catena alfa è variabile nelle molecole di classe I, quindi la nomenclatura è ” HLA ” seguita dal locus A, B o C, un asterisco e il numero dell’allele che rappresenta. Per le molecole di classe II, sia le catene alfa che beta impattano il legame ed entrambe le loro catene sono variabili per i loci DP e DQ. Tuttavia, per il locus DR, solo la catena beta è variabile (Fleri et al.). Per tutte le caratteristiche menzionate, la predizione del legame MHC di classe II è più impegnativa di quella per le molecole di classe I. Sulla base di diversi algoritmi di apprendimento automatico, sono state sviluppate diverse previsioni come strumenti per identificare gli epitopi delle cellule T degli antigeni proteici .

Al contrario, per infezioni parassitarie, virali, batteriche e tumori, il cui controllo e cura della prevenzione richiede lo sviluppo di una potente risposta anticorpale, il problema è più complesso. Infatti, la maggior parte degli epitopi delle cellule B sono epitopi discontinui composti da residui di amminoacidi situati su regioni separate della proteina e che sono uniti tra loro dalla piegatura della catena (4). Questi gruppi di residui non possono essere isolati come tali dall’antigene. Pertanto, la strategia utilizzata per questi casi è chiamata vaccinologia inversa basata strutturale (SBRV) e si concentra sull’uso di anticorpi monoclonali contro l’antigene proteico. Ci sono sei regioni determinanti complementari (4) o regioni di legame dell’antigene (ABRs) (5), nella molecola dell’anticorpo che può interagire con l’antigene. Un sito di legame con l’antigene, chiamato anche paratopo, che è una piccola regione (di 10-15 aminoacidi) è la parte dell’anticorpo che riconosce e si lega a un antigene. Tuttavia, ogni ABR differisce significativamente nella sua composizione aminoacidica e tende a legare diversi tipi di amminoacidi sulla superficie delle proteine. Nonostante queste differenze, la preferenza combinata dei sei ABRs non consente di distinguere gli epitopi dal resto della superficie proteica. Questi risultati spiegano lo scarso successo dei metodi passati e recentemente proposti per predire gli epitopi proteici (4, 5). La strategia SBVR viene utilizzata per studiare l’interazione del complesso composto dall’anticorpo monoclonale con la proteina al fine di identificare a quali amminoacidi della proteina antigenica, l’ABR o il paratopo dell’anticorpo monoclonale si lega. L’obiettivo di questo approccio è quello di chiarire indirettamente la potenziale sequenza amminoacidica dell’epitopo discontinuo. Tuttavia, la ricerca degli epitopi che interagiscono con gli anticorpi è un compito molto più difficile a cui gli algoritmi di previsione di successo sono circa inesistenti. Di conseguenza, questa strategia non ha ottenuto molto successo (4, 5).

L’incapacità dei peptidi lineari sintetici di imitare efficacemente gli epitopi discontinui è una delle ragioni del fallimento di molti vaccini sintetici a cellule B per indurre la sintesi di anticorpi neutralizzanti. Questi fatti spiegano parzialmente perché anche se più di mille peptidi sintetici delle cellule B sono stati identificati, solo 125 di loro hanno progredito alla fase I, 30 di loro alla fase II, e nessuno di loro sono riusciti in studi di fase III o sono stati concessi in licenza per uso umano (4).

Quindi, mentre RV si riferisce generalmente all’analisi in silico dell’intero genoma patogeno per identificare tutti gli antigeni che il patogeno è in grado di esprimere, lo SBRV si riferisce all’approccio che cerca di generare un vaccino dalla nota struttura cristallografica degli anticorpi neutralizzanti legati agli epitopi (6).

Nel caso di infezioni prevenibili da una risposta anticorpale, il termine antigenicità è stato spesso confuso con immunogenicità (7). Infatti, gli epitopi di alcuni antigeni virali sono spesso erroneamente considerati immunogeni, quando sono solo antigeni, poiché possono interagire con una varietà di anticorpi sollevati contro un virus, ma non sono in grado di indurre la sintesi degli anticorpi neutralizzanti impegnati nella protezione (7). In precedenza, si pensava, che se un epitopo antigenico legato fortemente ad un anticorpo monoclonale neutralizzante in vitro, sarebbe anche in grado di indurre la sintesi di anticorpi neutralizzanti quando usato come vaccino. Tuttavia, questo non è vero (7).

Inoltre, altri concetti sono stati sviluppati in associazione alla strategia RV (6). Il concetto di RV 1.0 è un approccio basato sulla bioinformatica e sull’immunizzazione animale e sulla sfida utilizzata per determinare quali antigeni sono più appropriati per la vaccinazione (8). Al contrario, il concetto di RV 2.0 si riferisce a una strategia che ottiene anticorpi monoclonali dai pochi individui che fanno una forte risposta anticorpale contro l’infezione naturale. Questi anticorpi monoclonali guidano la progettazione del vaccino nella direzione di inversione del normale flusso dei vaccini verso gli anticorpi (8).

Inoltre, il concetto di “rational vaccine design” è stato usato molto spesso creando l’aspettativa di avere lo stesso successo della strategia di “rational drug design” ottenuta prima. Tuttavia, il “design razionale del farmaco” è legato allo sviluppo di analoghi chimici che sono inibitori perfetti del sito attivo di importanti enzimi vitali del patogeno. Al contrario, i ricercatori coinvolti nello sviluppo del vaccino contro l’HIV hanno affermato di utilizzare il “design razionale del vaccino” mentre in realtà hanno solo migliorato la capacità di legame antigenico di un epitopo rispetto a un solo paratopo e non la capacità immunogenica di un epitopo di suscitare anticorpi neutralizzanti. Queste conclusioni hanno generato forti critiche .

Al contrario, il presente argomento di ricerca utilizza il concetto di “Scoperta di epitopi e progettazione di vaccini sintetici” come illustrato da Kao e Hodges (1). Questi autori hanno dimostrato che i vaccini sintetici basati su peptidi corti, che rappresentano epitopi immunogenici, sono in grado di compromettere e persino superare il potenziale protettivo della proteina intera affine nativa. Hanno trovato titoli anticorpali più elevati diretti al dominio di legame del recettore del Pilus A di Pseudomonas aeruginosa, che ha 14 aminoacidi rispetto all’intera proteina nativa pilin. I titoli contro il pilin nativo degli animali immunizzati con il peptide-coniugato sintetico erano più alti, rispetto ai titoli degli animali immunizzati con l’intera proteina pilin. Inoltre, le affinità dei sieri anti-peptidici per il dominio di legame del recettore pilin intatto erano significativamente più alte delle affinità dei sieri proteici anti-pilin (1).

Sosteniamo lo sviluppo di vaccini epitopi che combinano approcci immunoinformatici e biologici sperimentali (Alves-Silva et al.; Barbosa Santos et al.). Abbiamo utilizzato un approccio immunoinformatico per migliorare l’efficacia dei vaccini esistenti composti da antigeni proteici selezionati in base alla loro rilevanza nei precedenti risultati biologici sperimentali. I nostri risultati hanno anche mostrato che i vaccini composti dai domini immunogenici, ottimizzano e addirittura superano il potenziale protettivo indotto dall’intera proteina (1). Ad esempio, abbiamo ottenuto un’ottimizzazione del 33% dell’efficacia del vaccino utilizzando una chimera ricombinante, che contiene i due domini che contengono gli epitopi più immunogenici dell’idrolasi nucleosidica NH36 di Leishmania, invece dell’intera proteina NH36 (Alves-Silva et al.). Questi due domini (F1 e F3) contengono gli epitopi più potenti per la generazione di protezione profilattica contro l’infezione da Leishmania (L.) amazonensis (Alves-Silva et al.). La vaccinazione con la proteina NH36 riduce le dimensioni della lesione del 55% (10). Tuttavia, la vaccinazione con i domini F1 e F3 ha determinato in modo indipendente le rispettive riduzioni del 70 e del 77% e la chimera F1F3 ha indotto una riduzione dell ‘ 82% nelle dimensioni delle lesioni del footpad (Alves-Silva et al.).

Questo entusiasmo che arriva dopo l’avvento degli strumenti immunoinformatici e il ritrovamento di epitopi attraverso le previsioni in silico non dovrebbe svalutare i fondamenti empirici di tutta la scienza sperimentale coinvolta nello sviluppo dei vaccini che controllano le malattie fino ad oggi (6). Al contrario, sia gli strumenti empirici che quelli in silico dovrebbero essere utilizzati insieme nello sviluppo di nuovi vaccini epitopi sintetici che offrono vantaggi rispetto ai vaccini tradizionali. Sono antigeni chimicamente definiti esenti da effetti deleteri. Inoltre, a differenza dei vaccini vivi attenuati, non ritornano alla virulenza nei soggetti immunocompromessi e, a differenza dei vaccini genetici, non implicano questioni etiche.

Con questo argomento di ricerca, abbiamo creduto di aver dato un contributo significativo allo sviluppo di vaccini epitopi sintetici che possono aiutare nella prevenzione, nel trattamento e nel controllo delle malattie infettive e del cancro.

Contributi dell’autore

CP-d-S, DSR e ISS hanno scritto e approvato il testo finale di questo Editoriale.

Dichiarazione sul conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano David Straker per la revisione linguistica.

Finanziamento

Questo lavoro è stato sostenuto dal Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) e dalla Fundação Carlos Chagas de Amparo à Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ) .