Editorial on the Research Topic

Epitope Discovery and Synthetic Vaccine Design

traditionele en eerste generatie vaccins zijn samengesteld uit levende of gefixeerde gehele pathogenen, terwijl tweede generatie vaccins onder andere de inheemse eiwitantigenen bevatten die uit het pathogeen worden gezuiverd. Bovendien bestaan vaccins van de derde generatie uit DNA-plasmiden die de volgorde van de belangrijkste pathogeeneiwitantigenen in de gastheer kunnen uitdrukken. Tijdens deze evolutie van vaccins is er echter een toename in veiligheid geweest, met een verlies aan werkzaamheid dat is gecompenseerd door het gebruik van adjuvantia.

de laatste stap in de evolutie van vaccinformuleringen is de ontwikkeling van epitope vaccins. Epitopes zijn korte aminozuuropeenvolgingen van een proteã ne die een meer directe en machtige immune reactie kunnen veroorzaken, dan de reactie die door de gehele verwante proteã ne wordt veroorzaakt (1).

bovendien vereist de strategie voor de ontwikkeling van epitope vaccins een nauwkeurige kennis van de aminozuursequentie van het immunogene eiwit van belang. Daarom, omdat vaccins tegen parasieten, bacteriën of virusinfecties en tumoren een cellulaire immuunrespons vereisen voor preventie, controle en genezing, werd een strategie genaamd Reverse Vaccinology (RV) ontwikkeld. De RV-benadering gebruikt de informatie van de codonopeenvolging die in DNA van de ziekteverwekker wordt vervat om een aanvullende cDNA te verkrijgen, en vertaalt het verder om de opeenvolging van de proteã ne van belang te verkrijgen. Zodra deze proteã nen binnen de antigeen-presenterende cellen (APC) van de gastheer zijn, worden zij verwerkt. De celepitopes van T worden dan proteolytically gespleten van de proteã ne, en verder blootgesteld door de MHC molecules van de APC-oppervlakte, om met de receptoren van cellen van T in wisselwerking te staan. Daarom, met de kennis van de primaire opeenvolging van het eiwitantigeen, kunnen de epitopes worden geà dentificeerd door de domeinen of kleinere peptides van de proteã ne afzonderlijk te klonen en experimenteel te bepalen welke één meer immunogenic is, of alternatief, door de gehele eiwitopeenvolging te onderzoeken gebruikend in silicovoorspellingsprogramma ‘ s .

de structuur van de MHC moleculen op APC, MHC klasse I moleculen hebben een enkele alpha keten die de binding beïnvloedt, en de binding groef ligt tussen de alpha 1 en alpha 2 domeinen (Fleri et al.). Aangezien de bindende groef gesloten is, kan het slechts kortere peptiden (8-14 aminozuren) Herbergen. De groefbindende kern heeft slechts negen aminozuren. MHC klasse II molecules in contrast, hebben twee kettingen, alpha en bèta die band beà nvloeden. De bindende groef is open en is geschikt voor langere peptiden (13-25 aminozuren) maar de bindende kern heeft 9 aminozuurresiduen met 0-5 residu ‘ s flankerend aan elke kant. Alleen de alfaketen is variabel in klasse I moleculen, dus de nomenclatuur is “HLA” gevolgd door de locus A, B of C, een sterretje, en het nummer van het allel dat het vertegenwoordigt. Voor klasse II molecules, zijn zowel de alpha en Bà taketens effectbinding en beide van hun kettingen variabel voor de loci van DP en DQ. Voor de Dr locus is echter alleen de bètaketen variabel (Fleri et al.). Voor alle genoemde kenmerken is MHC klasse II binding voorspelling uitdagender dan die voor klasse I moleculen. Gebaseerd op verschillende machine het leren algoritmen, werden verscheidene voorspellingen ontwikkeld als hulpmiddelen om de celepitopes van de eiwitantigenen van T te identificeren .

daarentegen is het probleem voor parasieten, virale, bacteriële infecties en tumoren, waarvan de preventiecontrole en genezing de ontwikkeling van een krachtige antilichaamrespons vereisen, complexer. In feite, is de meerderheid van de celepitopes van B discontinue epitopes samengesteld uit aminozuurresiduen die op afzonderlijke gebieden van de proteã ne worden gevestigd, en die samen door het vouwen van de keten (4) worden verbonden. Deze groepen residuen kunnen niet als zodanig uit het antigeen worden geïsoleerd. Daarom wordt de strategie die voor deze gevallen wordt gebruikt genoemd structurele gebaseerde omgekeerde vaccinologie (SBRV), en het concentreert zich op het gebruik van monoclonal antilichamen tegen het eiwitantigeen. Er zijn zes complementaire bepalende gebieden (4) of antigeen-bindende gebieden (ABRs) (5), in het antilichaammolecuul dat met het antigeen kan in wisselwerking staan. Een antigeen-bindende plaats, ook genoemd paratope, die een klein gebied (van 10-15 aminozuren) is het deel van het antilichaam dat erkent en aan een antigeen bindt. Nochtans, verschilt elk ABR beduidend in zijn aminozuursamenstelling en neigt om verschillende types van aminozuren op de oppervlakte van proteã nen te binden. Ondanks deze verschillen laat de gecombineerde voorkeur van de zes ABRs niet toe de epitopen van de rest van het eiwitoppervlak te onderscheiden. Deze bevindingen verklaren het slechte succes van vroegere en nieuw voorgestelde methoden voor het voorspellen van eiwitepitopen (4, 5). De strategie van SBVR wordt gebruikt om de interactie van complex te bestuderen die uit het monoclonal antilichaam met de proteã ne wordt samengesteld om te identificeren waaraan aminozuren van de antigeenproteã ne, ABR of paratope van het monoclonal antilichaam bindt. Het doel van deze benadering is om de potentiële aminozuurvolgorde van discontinue epitope indirect te verduidelijken. Nochtans, is de zoektocht naar epitopes die met antilichamen in wisselwerking staan een veel moeilijkere taak waaraan de succesvolle voorspellingsalgoritmen over niet-bestaand zijn. Deze strategie heeft dan ook niet veel succes geboekt (4, 5).

het onvermogen van synthetische lineaire peptiden om de discontinue epitopen effectief na te bootsen is een van de redenen voor het falen van veel B-cel synthetische vaccins om de synthese van neutraliserende antilichamen te induceren. Deze feiten verklaren gedeeltelijk waarom, hoewel meer dan duizend synthetische B-celpeptiden zijn geïdentificeerd, slechts 125 van hen tot Fase I zijn gevorderd, 30 van hen tot Fase II, en geen van hen in Fase III proeven zijn geslaagd of voor menselijk gebruik zijn toegelaten (4).

terwijl RV in het algemeen verwijst naar de in silico analyse van het gehele pathogeen genoom om alle antigenen te identificeren die het pathogeen kan uitdrukken, verwijst de SBRV naar de aanpak die probeert een vaccin te genereren uit de bekende kristallografische structuur van de neutraliserende antilichamen gebonden aan de epitopen (6).

in het geval van infecties die voorkomen kunnen worden door een antilichaamrespons, wordt de term antigeniciteit vaak verward met immunogeniciteit (7). In feite worden de epitopen van sommige virale antigenen vaak ten onrechte beschouwd als immunogenen, wanneer ze alleen antigenen zijn, omdat ze kunnen interageren met een verscheidenheid aan antilichamen die tegen een virus zijn verhoogd, maar ze kunnen de synthese van de neutraliserende antilichamen die betrokken zijn bij bescherming niet induceren (7). Eerder, werd gedacht, dat als antigenic epitope sterk aan een neutraliserende monoclonal antilichaam in vitro bindt, het ook de synthese van neutraliserende antilichamen wanneer gebruikt als vaccin zou kunnen veroorzaken. Dit is echter niet waar (7).

daarnaast zijn andere concepten ontwikkeld in samenhang met de RV-strategie (6). Het concept van RV 1.0 is een benadering gebaseerd op bio-informatica en dierlijke immunisatie en uitdaging die wordt gebruikt om te bepalen welke antigenen geschikter zijn voor vaccinatie (8). In tegenstelling, verwijst het concept van RV 2.0 naar een strategie die monoclonal antilichamen van de weinig individuen verkrijgt die een sterke antilichaamreactie tegen natuurlijke besmetting maken. Deze monoklonale antilichamen leiden het ontwerp van het vaccin in de omgekeerde richting van de normale stroom van vaccins naar anti-lichamen (8).

bovendien werd het concept van “rationeel vaccinontwerp” zeer vaak gebruikt en werd de verwachting gewekt dat het hetzelfde succes zou hebben als de strategie van “rationeel geneesmiddelontwerp” die voorheen werd ontwikkeld. Het “rationele medicijnontwerp” is echter gerelateerd aan de ontwikkeling van chemische analogen die perfecte remmers zijn van de actieve plaats van belangrijke vitale enzymen van de ziekteverwekker. Onderzoekers die betrokken waren bij de ontwikkeling van het HIV-vaccin beweerden daarentegen dat zij het “rationele vaccinontwerp” gebruikten, terwijl zij in feite slechts de antigene bindingscapaciteit van één epitoop ten opzichte van slechts één paratoop verbeterden, en niet de immunogene capaciteit van een epitoop om neutraliserende antilichamen op te wekken. Deze conclusies leidden tot sterke kritiek .

in tegenstelling hiermee gebruikt het huidige onderzoeksthema het concept van “Epitope Discovery and Synthetic Vaccine Design”, zoals geïllustreerd door Kao en Hodges (1). Deze auteurs toonden aan dat de synthetische die vaccins op korte peptides worden gebaseerd, die immunogenic epitopes vertegenwoordigen kunnen aantasten en zelfs het beschermende potentieel van de inheemse cognate gehele proteã ne overschrijden. Zij vonden hogere antilichaamtiters gericht op het receptorbindend domein van de Pilus a van Pseudomonas aeruginosa, dat 14 aminozuren heeft dan aan het gehele pilin inheemse eiwit. De titers tegen de inheemse pilin van de dieren die met het synthetische peptide-conjugaat werden geïmmuniseerd, waren hoger, dan de titers van dieren die met het gehele pilin-eiwit werden geïmmuniseerd. Bovendien waren de affiniteiten van de anti-peptide sera voor het intacte pilinereceptorbindend domein significant hoger dan de affiniteiten van anti-pilineiwitsera (1).

we ondersteunen de ontwikkeling van epitope vaccins die immunoinformatica en experimentele biologische benaderingen combineren (Alves-Silva et al.; Barbosa Santos et al.). We gebruikten een immuno-formatische aanpak om de werkzaamheid van bestaande vaccins bestaande uit eiwitantigenen die werden geselecteerd op basis van hun relevantie in eerdere experimentele biologische resultaten te verbeteren. Onze resultaten toonden ook aan dat vaccins samengesteld uit de immunogene domeinen, optimaliseren en zelfs overtreffen het beschermende potentieel geïnduceerd door het hele eiwit (1). Zo bereikten we 33% optimalisatie van de werkzaamheid van het vaccin met behulp van een recombinante chimera, die de twee domeinen bevat die de meest immunogene epitopen van de Nucleoside hydrolase NH36 van Leishmania bevatten, in plaats van het hele nh36-eiwit (Alves-Silva et al.). Deze twee domeinen (F1 en F3) houden de meest krachtige epitopen voor de generatie van profylactische bescherming tegen Leishmania (L.) amazonensis infectie (Alves-Silva et al.). Vaccinatie met het nh36-eiwit vermindert de laesiegrootte met 55% (10). Echter, vaccinatie met de F1 en de F3 domeinen onafhankelijk bepaald respectieve reducties van 70 en 77%, en de f1f3 chimera induceerde een vermindering van 82% in de voetpad laesie maten (Alves-Silva et al.).

dit enthousiasme dat na de komst van immunoformatische instrumenten en het vinden van epitopen via In silico voorspellingen komt, mag de empirische grondslagen van alle experimentele wetenschap die betrokken is bij de ontwikkeling van de vaccins die ziekten beheersen tot heden niet ondermijnen (6). Integendeel, zowel de empirische als de silico-instrumenten moeten samen worden gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe synthetische epitope vaccins die voordelen bieden ten opzichte van traditionele vaccins. Het zijn chemisch gedefinieerde antigenen die vrij zijn van schadelijke effecten. Bovendien keren ze, in tegenstelling tot levende verzwakte vaccins, niet terug naar virulentie bij immunogecompromitteerde personen, en anders dan genetische vaccins, houden ze geen ethische vragen in.

met dit onderzoeksthema geloofden we dat we een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan de ontwikkeling van synthetische epitope vaccins die kunnen helpen bij de preventie, behandeling en bestrijding van infectieziekten en kanker.

Auteursbijdragen

CP-d – S, DSR en ISS schreven en keurden de definitieve tekst van dit artikel goed.

belangenconflict verklaring

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.

Dankbetuigingen

De auteurs danken David Straker voor de taalstudie.dit werk werd ondersteund door Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e tecnológico (CNPQ) en Fundação Carlos Chagas de Amparo à Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ) .