redaktionell om forskningsämnet

Epitopupptäckt och syntetisk Vaccindesign

traditionella och första generationens vacciner består av levande eller fasta hela patogener, medan andra generationens vacciner inkluderar bland annat de infödda proteinantigenerna renade från patogenen. Och vidare består tredje generationens vacciner av DNA-plasmider som kan uttrycka sekvensen av de viktigaste patogenproteinantigenerna i värden. Under denna utveckling av vacciner har det dock varit en vinst i säkerhet med en förlust av effekt som har kompenserats med användning av adjuvanser.

det senaste steget i utvecklingen av vaccinformuleringar är utvecklingen av epitopvacciner. Epitoper är korta aminosyrasekvenser av ett protein som kan inducera ett mer direkt och potent immunsvar än svaret inducerat av hela kognatproteinet (1).dessutom kräver strategin för att utveckla epitopvacciner en exakt kunskap om aminosyrasekvensen för det immunogena proteinet av intresse. Därför, eftersom vacciner mot parasit, bakterier eller virusinfektioner och tumörer kräver ett cellulärt immunsvar för förebyggande, kontroll och botemedel, utvecklades en strategi som kallas omvänd Vaccinologi (RV). RV-metoden använder informationen om kodonsekvensen som finns i patogenens DNA för att erhålla en komplementär cDNA och översätter den vidare för att erhålla sekvensen av proteinet av intresse. När dessa proteiner är inne i värdens antigenpresenterande celler (APC) bearbetas de. T-cellepitoperna klyvs sedan proteolytiskt från proteinet och exponeras ytterligare av MHC-molekylerna på APC-ytan för att interagera med receptorerna i T-celler. Därför, med kunskapen om den primära sekvensen av proteinantigenet, kan epitoperna identifieras genom kloning av domänerna eller mindre peptider av proteinet separat och experimentellt bestämma vilken som är mer immunogen, eller alternativt genom screening av hela proteinsekvensen med användning av silico förutsägelser program .

strukturen hos MHC-molekylerna på APC, MHC klass i-molekyler har en enda alfa-kedja som påverkar bindningen, och bindningsspåret ligger mellan alfa 1 och alfa 2-domänerna (Fleri et al.). Eftersom bindningsspåret är stängt kan det endast rymma kortare peptider (8-14 aminosyror). Spårbindningskärnan har bara nio aminosyror. MHC-klass II-molekyler har däremot två kedjor, alfa och beta som påverkar bindningen. Bindningsspåret är öppet och rymmer längre peptider (13-25 aminosyror) men bindningskärnan har 9 aminosyrarester med 0-5 rester som flankerar på varje sida. Endast alfakedjan är variabel i klass i-molekyler, så nomenklaturen är ”HLA” följt av locus A, B eller C, en asterisk och numret på allelen som den representerar. För klass II-molekyler är både alfa-och beta-kedjorna slagbindande och båda deras kedjor variabla för DP-och DQ-loci. Men för DR locus är endast beta-kedjan variabel (Fleri et al.). För alla nämnda egenskaper är MHC klass II bindande förutsägelse mer utmanande än för klass i-molekyler. Baserat på olika maskininlärningsalgoritmer utvecklades flera förutsägelser som verktyg för att identifiera t-cellepitoper av proteinantigenerna .

däremot är problemet mer komplext för parasit -, virus -, bakterieinfektioner och tumörer, vars förebyggande kontroll och botemedel kräver utveckling av ett potent antikroppssvar. Faktum är att majoriteten av B-cellepitoper är diskontinuerliga epitoper som består av aminosyrarester belägna på separata regioner av proteinet och som förenas genom vikning av kedjan (4). Dessa grupper av rester kan inte isoleras som sådana från antigenet. Därför kallas strategin som används för dessa fall strukturell baserad omvänd vaccinologi (SBRV), och den fokuserar på användningen av monoklonala antikroppar mot proteinantigenet. Det finns sex komplementära bestämningsregioner (4) eller antigenbindande regioner (ABRs) (5), i antikroppsmolekylen som kan interagera med antigenet. En antigenbindningsplats, även kallad en paratop, som är en liten region (av 10-15 aminosyror) är den del av antikroppen som känner igen och binder till ett antigen. Emellertid skiljer sig varje ABR signifikant i sin aminosyrakomposition och tenderar att binda olika typer av aminosyror på ytan av proteiner. Trots dessa skillnader tillåter den kombinerade preferensen av de sex Abr: erna inte att epitoperna skiljer sig från resten av proteinytan. Dessa resultat förklarar den dåliga framgången med tidigare och nyligen föreslagna metoder för att förutsäga proteinepitoper (4, 5). Sbvr-strategi används för att studera interaktionen mellan komplexet som består av den monoklonala antikroppen med proteinet för att identifiera till vilka aminosyror av antigenproteinet, ABR eller paratop av den monoklonala antikroppen binder. Målet med detta tillvägagångssätt är att belysa den potentiella aminosyrasekvensen för den diskontinuerliga epitopen indirekt. Sökandet efter epitoper som interagerar med antikroppar är emellertid en mycket svårare uppgift som framgångsrika prediktionsalgoritmer handlar om icke-existerande. Följaktligen har denna strategi inte uppnått mycket framgång (4, 5).

oförmågan hos syntetiska linjära peptider att effektivt efterlikna de diskontinuerliga epitoperna är en av orsakerna till misslyckandet av många B-cell syntetiska vacciner för att inducera syntesen av neutraliserande antikroppar. Dessa fakta förklarar delvis varför även om mer än tusen syntetiska B-cellpeptider har identifierats, har endast 125 av dem utvecklats till fas i, 30 av dem till fas II, och ingen av dem har lyckats i fas III-studier eller har licensierats för humant bruk (4).

därför, medan RV i allmänhet hänvisar till in silico-analysen av hela patogengenomet för att identifiera alla antigener som patogenen kan uttrycka, hänvisar SBRV till tillvägagångssättet som försöker generera ett vaccin från den kända kristallografiska strukturen hos de neutraliserande antikropparna bundna till epitoperna (6).

När det gäller infektioner som kan förebyggas genom ett antikroppssvar har termen antigenicitet ofta förväxlats med immunogenicitet (7). Faktum är att epitoper av vissa virala antigener ofta felaktigt betraktas som immunogener, när de bara är antigener, eftersom de kan interagera med en mängd antikroppar som höjs mot ett virus, men de kan inte inducera syntesen av de neutraliserande antikropparna som är engagerade i skydd (7). Tidigare trodde man att om en antigen epitop bundet starkt till en neutraliserande monoklonal antikropp in vitro, skulle den också kunna inducera syntesen av neutraliserande antikroppar när den användes som ett vaccin. Detta är dock inte sant (7).

dessutom har andra begrepp utvecklats i samband med RV-strategin (6). Begreppet RV 1.0 är ett tillvägagångssätt baserat på bioinformatik och djurimmunisering och utmaning som används för att bestämma vilka antigener som är mer lämpliga för vaccination (8). Däremot hänvisar begreppet RV 2.0 till en strategi som erhåller monoklonala antikroppar från de få individer som gör ett starkt antikroppssvar mot naturlig infektion. Dessa monoklonala antikroppar styr vaccindesignen i omvänd riktning av det normala flödet av vacciner till antikroppar (8).dessutom användes begreppet ” rationell vaccindesign ”mycket ofta och skapade förväntan om att ha samma framgång som strategin för” rationell läkemedelsdesign ” som erhölls tidigare. Den ”rationella läkemedelsdesignen” är emellertid relaterad till utvecklingen av kemiska analoger som är perfekta hämmare av den aktiva platsen för viktiga vitala enzymer hos patogenen. Däremot hävdade utredare som var involverade i utvecklingen av HIV-vaccinet att de använder den ”rationella vaccindesignen” medan de faktiskt bara förbättrade den antigena bindningsförmågan hos en epitop med avseende på endast en paratop och inte den immunogena kapaciteten hos en epitop att framkalla neutraliserande antikroppar. Dessa slutsatser genererade stark kritik .

däremot använder det nuvarande forskningsämnet begreppet ”Epitopupptäckt och syntetisk Vaccindesign” som illustreras av Kao och Hodges (1). Dessa författare visade att syntetiska vacciner baserade på korta peptider, som representerar immunogena epitoper, kan försämra och till och med överskrida den skyddande potentialen hos det infödda kogna helproteinet. De fann högre antikroppstitrar riktade mot den receptorbindande domänen för Pilus a av Pseudomonas aeruginosa, som har 14 aminosyror än till hela pilin-nativt protein. Titrarna mot den inhemska pilinen hos djuren immuniserade med det syntetiska peptidkonjugatet var högre än titrarna hos djur immuniserade med hela pilinproteinet. Dessutom var affiniteterna hos anti-peptidserum för den intakta pilinreceptorbindande domänen signifikant högre än affiniteterna hos anti-pilinproteinserum (1).

Vi stöder utvecklingen av epitopvacciner som kombinerar immuninformatik och experimentella biologiska tillvägagångssätt (Alves-Silva et al.; Barbosa Santos et al.). Vi använde ett immuninformatiskt tillvägagångssätt för att förbättra effekten av befintliga vacciner som består av proteinantigener som valdes utifrån deras relevans i tidigare experimentella biologiska resultat. Våra resultat visade också att vacciner som består av de immunogena domänerna optimerar och till och med överstiger den skyddande potential som induceras av hela proteinet (1). Till exempel uppnådde vi 33% optimering av vaccineffektivitet genom att använda en rekombinant chimera, som innehåller de två domänerna som håller de mest immunogena epitoperna av Nukleosidhydrolas Nh36 av Leishmania, istället för hela nh36-proteinet (Alves-Silva et al.). Dessa två domäner (F1 och F3) har de mest potenta epitoperna för generering av profylaktiskt skydd mot Leishmania (L.) amazonensis-infektion (Alves-Silva et al.). Vaccination med nh36-proteinet minskar lesionsstorlekarna med 55% (10). Vaccination med F1-och F3-domänerna bestämde emellertid oberoende respektive reduktioner på 70 och 77%, och f1f3-chimera inducerade en reduktion på 82% i fotplattans lesionsstorlekar (Alves-Silva et al.).

denna entusiasm som kommer efter tillkomsten av immuninformatiska verktyg och upptäckten av epitoper via in silico förutsägelser bör inte devalvera de empiriska grunden för all experimentell vetenskap som är involverad i utvecklingen av vaccinerna som kontrollerar sjukdomar fram till idag (6). Tvärtom bör både de empiriska och i silico-verktygen användas tillsammans i utvecklingen av nya syntetiska epitopvacciner som erbjuder fördelar jämfört med traditionella vacciner. De är kemiskt definierade antigener fria från skadliga effekter. Dessutom, i motsats till levande försvagade vacciner, återgår de inte till virulens hos immunkompromitterade personer, och skiljer sig från genetiska vacciner, involverar de inte etiska frågor.

med detta forskningsämne trodde vi att vi har gjort betydande bidrag till utvecklingen av syntetiska epitopvacciner som kan hjälpa till att förebygga, behandla och kontrollera infektionssjukdomar och cancer.

Författarbidrag

CP-d-s, DSR och ISS skrev och godkände den slutliga texten i denna redaktion.

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

bekräftelser

författarna tackar David Straker för språkgranskning.

finansiering

detta arbete stöddes av Conselho Nacional de Desenvolvimento cient Secretfico e Tecnol Crungico (CNPQ) och Funda Cruno Carlos Chagas de Amparo sauna pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (faperj) .