Editorial on the Research Topic

Epitope Discovery and Synthetic Vaccine Design

tradycyjne i pierwszej generacji szczepionki składają się z żywych lub stałych całych patogenów, podczas gdy szczepionki drugiej generacji obejmują m.in. natywne antygeny białkowe oczyszczone z patogenu. Co więcej, Szczepionki trzeciej generacji składają się z plazmidów DNA zdolnych do ekspresji sekwencji najważniejszych antygenów białka patogenu u gospodarza. Podczas ewolucji szczepionek zaobserwowano jednak zwiększenie bezpieczeństwa, a utrata skuteczności została zrekompensowana przez stosowanie adiuwantów.

najnowszym krokiem w ewolucji preparatów szczepionkowych jest opracowanie szczepionek epitopowych. Epitopy są krótkimi sekwencjami aminokwasowymi białka, które mogą indukować bardziej bezpośrednią i silną odpowiedź immunologiczną, niż odpowiedź indukowana przez całe białko poznanowe (1).

ponadto strategia rozwoju szczepionek epitopowych wymaga dokładnej znajomości sekwencji aminokwasowej interesującego białka immunogennego. W związku z tym, ponieważ szczepionki przeciwko pasożytom, bakteriom lub infekcjom wirusowym i nowotworom wymagają komórkowej odpowiedzi immunologicznej w celu zapobiegania, kontroli i leczenia, opracowano strategię zwaną odwróconą szczepionką (RV). Podejście RV wykorzystuje informacje o sekwencji kodonowej zawartej w DNA patogenu w celu uzyskania komplementarnego cDNA, a następnie przekłada ją w celu uzyskania sekwencji interesującego białka. Gdy białka te znajdują się wewnątrz komórek prezentujących antygen (APC) gospodarza, są przetwarzane. Epitopy komórek T są następnie proteolitycznie odrywane od białka i dalej eksponowane przez cząsteczki MHC powierzchni APC, w celu interakcji z receptorami komórek T. Dlatego też, mając wiedzę o pierwotnej sekwencji antygenu białkowego, epitopy można zidentyfikować klonując osobno domeny lub mniejsze peptydy białka i eksperymentalnie określając, który z nich jest bardziej immunogenny, lub alternatywnie, przez przesiewanie całej sekwencji białka za pomocą programów przewidywania in silico .

struktura cząsteczek MHC na APC, cząsteczki MHC klasy i mają pojedynczy łańcuch alfa, który wpływa na wiązanie, a rowek wiążący leży między domenami alfa 1 i alfa 2 (Fleri i in.). Ponieważ rowek wiążący jest zamknięty, może pomieścić tylko krótsze peptydy (8-14 aminokwasów). Rdzeń wiążący rowek zawiera tylko dziewięć aminokwasów. Cząsteczki MHC klasy II natomiast mają dwa łańcuchy, alfa i beta, które wpływają na Wiązanie. Rowek wiążący jest otwarty i może pomieścić dłuższe peptydy (13-25 aminokwasów), ale rdzeń wiążący ma 9 reszt aminokwasowych z 0-5 reszt flankujących po każdej stronie. Tylko łańcuch alfa jest zmienny w cząsteczkach klasy I, więc nomenklatura to „HLA”, po którym następuje locus A, B lub C, gwiazdka i liczba alleli, które reprezentuje. Dla cząsteczek klasy II, zarówno łańcuchy alfa i beta oddziałują na wiązanie i oba ich łańcuchy są zmienne dla loci DP i DQ. Jednak dla dr locus zmienny jest tylko łańcuch beta (Fleri et al.). Dla wszystkich wymienionych cech PRZEWIDYWANIE wiązania MHC klasy II jest trudniejsze niż dla cząsteczek klasy I. W oparciu o różne algorytmy uczenia maszynowego opracowano kilka prognoz jako narzędzia do identyfikacji epitopów komórek T antygenów białkowych .

natomiast w przypadku infekcji pasożytniczych, wirusowych, bakteryjnych i nowotworów, których zapobieganie i leczenie wymaga rozwinięcia silnej odpowiedzi przeciwciał, problem jest bardziej złożony. W rzeczywistości większość epitopów limfocytów B to nieciągłe epitopy złożone z reszt aminokwasowych zlokalizowanych w oddzielnych regionach białka, które są połączone ze sobą przez składanie łańcucha (4). Te grupy pozostałości nie mogą być izolowane jako takie z antygenu. Dlatego strategia stosowana w tych przypadkach nazywa się strukturalną odwróconą vaccinologią (sbrv) i koncentruje się na zastosowaniu przeciwciał monoklonalnych przeciwko antygenowi białkowemu. W cząsteczce przeciwciała znajduje się sześć komplementarnych regionów determinujących (4) lub regionów wiążących antygen (ABRs) (5), które mogą wchodzić w interakcje z antygenem. Miejsce wiązania antygenu, zwane również paratopem, które jest małym regionem (10-15 aminokwasów) jest częścią przeciwciała, które rozpoznaje antygen i wiąże się z nim. Jednak każdy ABR różni się znacznie w swoim składzie aminokwasowym i ma tendencję do wiązania różnych rodzajów aminokwasów na powierzchni białek. Pomimo tych różnic, połączone preferencje sześciu ABRs nie pozwalają na odróżnienie epitopów od reszty powierzchni białka. Wyniki te wyjaśniają słaby sukces przeszłych i nowo proponowanych metod przewidywania epitopów białkowych (4, 5). Strategia SBVR jest stosowana do badania interakcji kompleksu złożonego z przeciwciała monoklonalnego z białkiem w celu identyfikacji, z którymi aminokwasami wiąże się białko antygenu, ABR lub paratop przeciwciała monoklonalnego. Celem tego podejścia jest wyjaśnienie potencjalnej sekwencji aminokwasowej nieciągłego epitopu pośrednio. Jednak poszukiwanie epitopów oddziałujących z przeciwciałami jest znacznie trudniejszym zadaniem, do którego pomyślne algorytmy predykcji są o nieistniejące. W konsekwencji strategia ta nie odniosła większego sukcesu (4, 5).

niezdolność syntetycznych peptydów liniowych do skutecznego naśladowania nieciągłych epitopów jest jedną z przyczyn niepowodzenia wielu syntetycznych szczepionek z komórek B W indukcji syntezy przeciwciał neutralizujących. Fakty te częściowo wyjaśniają, dlaczego chociaż zidentyfikowano ponad tysiąc syntetycznych peptydów z limfocytów B, tylko 125 z nich przeszło do fazy i, 30 do fazy II i żaden z nich nie odniósł sukcesu w badaniach fazy III ani nie uzyskał pozwolenia na stosowanie u ludzi (4).

stąd, podczas gdy RV ogólnie odnosi się do analizy in silico całego genomu patogenu w celu zidentyfikowania wszystkich antygenów, które patogen jest w stanie wyrazić, SBRV odnosi się do podejścia, które próbuje wytworzyć szczepionkę ze znanej struktury krystalograficznej przeciwciał neutralizujących związanych z epitopami (6).

w przypadku zakażeń, którym można zapobiec poprzez odpowiedź przeciwciała, termin antygenowość jest często mylony z immunogennością (7). W rzeczywistości epitopy niektórych antygenów wirusowych są często błędnie uważane za immunogeny, gdy są tylko antygenami, ponieważ mogą wchodzić w interakcje z różnymi przeciwciałami wychowanymi przeciwko wirusowi, ale nie są zdolne do indukowania syntezy przeciwciał neutralizujących zaangażowanych w ochronę (7). Wcześniej uważano, że jeśli epitop antygenowy wiąże się silnie z neutralizującym przeciwciałem monoklonalnym in vitro, byłby on również w stanie indukować syntezę przeciwciał neutralizujących, gdy jest stosowany jako szczepionka. Nie jest to jednak prawdą (7).

dodatkowo, inne koncepcje zostały opracowane w powiązaniu ze strategią RV (6). Koncepcja RV 1.0 jest podejściem opartym na bioinformatyce i immunizacji zwierząt oraz wyzwaniu stosowanym do określenia, które antygeny są bardziej odpowiednie do szczepienia (8). W przeciwieństwie do tego, koncepcja RV 2.0 odnosi się do strategii, która uzyskuje przeciwciała monoklonalne od kilku osób, które wytwarzają silną odpowiedź przeciwciała przeciwko naturalnemu zakażeniu. Te przeciwciała monoklonalne kierują projekt szczepionki w kierunku odwrotnym do normalnego przepływu szczepionek do przeciwciał (8).

ponadto koncepcja „racjonalnego projektowania szczepionek” była bardzo często używana, tworząc oczekiwanie na taki sam sukces, jak strategia „racjonalnego projektowania leków” uzyskana wcześniej. Jednak „racjonalny projekt leku” jest związany z rozwojem chemicznych analogów, które są doskonałymi inhibitorami aktywnego miejsca ważnych ważnych enzymów patogenu. W przeciwieństwie do tego, badacze zaangażowani w rozwój szczepionki przeciwko HIV twierdzili, że używają „racjonalnego projektu szczepionki”, podczas gdy w rzeczywistości tylko poprawili zdolność wiązania antygenowego jednego epitopu w odniesieniu do tylko jednego paratopu, a nie zdolność immunogenną epitopu do wywoływania przeciwciał neutralizujących. Wnioski te wywołały silną krytykę .

natomiast w niniejszym temacie badawczym wykorzystuje się koncepcję „odkrywania epitopów i projektowania syntetycznych szczepionek”, co zilustrowali Kao i Hodges (1). Autorzy Ci wykazali, że syntetyczne szczepionki oparte na krótkich peptydach, które reprezentują immunogenne epitopy, są w stanie upośledzić, a nawet przekroczyć potencjał ochronny rodzimego pełnego białka poznawczego. Stwierdzono wyższe miana przeciwciał skierowanych do domeny wiążącej receptor Pilusa a Pseudomonas aeruginosa, który ma 14 aminokwasów, niż do całego natywnego białka piliny. Miana przeciwko natywnej pilinie zwierząt immunizowanych syntetycznym koniugatem peptydowym były wyższe niż miana zwierząt immunizowanych całym białkiem piliny. Ponadto powinowactwo surowic anty-peptydowych dla nienaruszonej domeny wiążącej receptor piliny było znacząco wyższe niż powinowactwa surowic białkowych anty-piliny (1).

wspieramy rozwój szczepionek epitopowych, które łączą immunoinformatykę i eksperymentalne podejścia biologiczne (Alves-Silva et al.; Barbosa Santos et al.). Zastosowaliśmy podejście immunoinformatyczne w celu poprawy skuteczności istniejących szczepionek złożonych z antygenów białkowych, które zostały wybrane zgodnie z ich znaczeniem w poprzednich eksperymentalnych wynikach biologicznych. Nasze wyniki wykazały również, że szczepionki złożone z domen immunogennych optymalizują, a nawet przekraczają potencjał ochronny indukowany przez całe białko (1). Na przykład uzyskaliśmy 33% optymalizację skuteczności szczepionki poprzez zastosowanie rekombinowanej Chimery, która zawiera dwie domeny, które zawierają najbardziej immunogenne epitopy hydrolazy nukleozydowej Nh36 Leishmanii, zamiast całego białka Nh36(Alves-Silva i wsp .). Te dwie domeny (F1 i F3) posiadają najsilniejsze epitopy do wytwarzania profilaktycznej ochrony przed zakażeniem Leishmania (L.) amazonensis (Alves-Silva et al.). Szczepienie białkiem NH36 zmniejsza rozmiar zmian chorobowych o 55% (10). Jednak szczepienie domenami F1 i F3 niezależnie określiło odpowiednie zmniejszenie o 70 i 77%, a Chimera F1F3 wywołała zmniejszenie o 82% rozmiarów zmian skórnych stóp (Alves-Silva i wsp.).

ten entuzjazm po pojawieniu się narzędzi immunoinformatycznych i znalezieniu epitopów poprzez przewidywania in silico nie powinien dewaluować empirycznych podstaw całej nauki eksperymentalnej zaangażowanej w rozwój szczepionek, które kontrolują choroby do chwili obecnej (6). Wręcz przeciwnie, zarówno narzędzia empiryczne, jak i in silico powinny być stosowane razem w opracowywaniu nowych syntetycznych szczepionek epitopowych, które oferują przewagę nad tradycyjnymi szczepionkami. Są to chemicznie zdefiniowane antygeny wolne od szkodliwych skutków. Dodatkowo, w przeciwieństwie do szczepionek atenuowanych na żywo, nie powracają one do zjadliwości u osób z obniżoną odpornością, a w odróżnieniu od szczepionek genetycznych nie wiążą się z kwestiami etycznymi.

dzięki temu tematowi badawczemu wierzymy, że wnieśliśmy znaczący wkład w rozwój syntetycznych szczepionek epitopowych, które mogą pomóc w zapobieganiu, leczeniu i zwalczaniu chorób zakaźnych i nowotworów.

autorzy

CP-d-S, DSR i ISS napisali i zatwierdzili ostateczny tekst tej redakcji.

Oświadczenie o konflikcie interesów

autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

podziękowania

autorzy dziękują Davidowi Strakerowi za recenzję językową.

finansowanie

prace te były wspierane przez Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) i Fundação Carlos Chagas de Amparo à Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ) .