Прототип мРНК-вакцины от ВИЧ стимулирует выработку нейтрализующих антител у макак

Глобальная эпидемия вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) и вызываемого им синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД) длится уже почти четыре десятилетия. ВИЧ хорошо изучен — уже давно существуют препараты, которые позволяют инфицированному сдерживать его размножение в организме и жить с ВИЧ-инфекцией почти полноценной жизнью. Также разработаны эффективные меры борьбы с его распространением. Однако вакцины от ВИЧ-инфекции пока нет. Вакцины на основе мРНК продемонстрировали свою эффективность против COVID-19, добавив оптимизма и в борьбе с другими вирусами. Исследователи из США опубликовали результаты проведенного на макаках доклинического исследования вакцины от ВИЧ-1 (самого распространенного типа ВИЧ) на основе мРНК, кодирующих продукты генов env и gag вирусов иммунодефицита. Авторы показали, что вакцинация разработанным ими препаратом стимулирует выработку нейтрализующих антител в организме макак, а вероятность развития инфекции снижается на 79%. Прототип вакцины еще требует доработки, однако уже видно, что по крайней мере у животных он вызывает иммунный ответ на различные варианты ВИЧ.

Одно из распространенных вопросов, которые задают люди, сомневающиеся в безопасности вакцин против COVID-19, звучит так: «Почему вакцину от ковида разработали так быстро, а вакцины против ВИЧ до сих пор не существует?». Для ответа на этот вопрос нужно немного углубиться в строение частиц обоих вирусов.

Коронавирус SARS-CoV-2 использует спайк-белок, находящийся на поверхности вириона, чтобы связаться с рецептором ACE2 клеток-мишеней (в основном это клетки эпителия дыхательных путей). Большинство вакцин, включая мРНК-вакцины Cominarty (Pfizer/BioNTech) и Spikevax (Moderna), а также основанную на аденовирусном векторе вакцину «Спутник V» (регистрационное название — «Гам-КОВИД-Вак», разработана НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи), вызывают образование антител к спайк-белку, которые способны прикрепляться к спайк-белку, тем самым его «блокируя». Это мешает вирусу связываться с рецептором клеток-мишеней и снижает вероятность развития заболевания (у иммунной системы есть и другие компоненты помимо антител, но мы их практически не обсуждаем в рамках этой новости).

Основная причина того, что вакцина от коронавируса разработана быстро, — платформы для получения вакцин на основе нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и различных векторов (например, аденовирусов) уже давно известны. Работа над вакцинами на основе мРНК началась более 30 лет назад с исследований того, могут ли мРНК, введенные в клетки мышей или человека, производить белки (M. Ostro et al., 1978. Evidence for translation of rabbit globin mRNA after liposomemediated insertion into a human cell line; G. Dimitrias, 1978. Translation of rabbit globin mRNA introduced by liposomes into mouse lymphocytes). Были разработаны методы получения как стабильных мРНК, так и липидных наночастиц для их доставки, а первые клинические исследования вакцины от гриппа на основе мРНК были опубликованы в 1995 году (K. L. Nichol et al., 1995. The Effectiveness of Vaccination against Influenza in Healthy, Working Adults).

Принцип действия мРНК-вакцин состоит в том, что мРНК, попавшая в клетки, считывается рибосомами, синтезируя закодированный в ней белок. Таким образом, синтезируется белок, который затем распадается на небольшие пептиды и выставляется на поверхность клетки, вызывая дальнейший иммунный ответ (рис. 1). Хотя мРНК может быть захвачена различными клетками, самую важную роль в образовании иммунного ответа на мРНК вакцины играют дендритные клетки. Именно они мигрируют позже в лимфатические узлы и доставляют антигены к Т- и В-лимфоцитам.

Но несмотря на то, что существуют различные подходы к получению вакцин, их эффективность все равно сильно зависит от особенностей вируса. Например, аденовирусные векторы уже использовали для разработки вакцины против ВИЧ, но клинические исследования, к сожалению, провалились. ВИЧ оказался одним из таких патогенов, чьи особенности пока не позволяют получить эффективные вакцины. Как и все вирусы он мутирует, увеличивая разнообразие вирусных частиц в одном организме. Оно также поддерживается постоянным присутствием провирусов ВИЧ в геноме, от которых можно избавиться только вырезав их физически (например, с помощью CRISPR-Cas9, как предлагают некоторые исследователи). Иммунная система практически не в состоянии создать антитела ко всем вариантам вируса, которые образуются в организме. Есть отдельные, сверхспособные группы В-лимфоцитов, которые могут производить антитела широкого спектра действия, но их чрезвычайно мало.

Еще одна плохая (для нас) особенность ВИЧ заключается в том, что он поражает иммунные клетки. У ВИЧ есть поверхностные белки, которые необходимы для нахождения и связывания вириона с белком CD4 — рецептором клеток-мишеней (в первую очередь T-хелперов, моноцитов и дендритных клеток). Они кодируются геном env, который, как и другие элементы генома ВИЧ, подвержен мутационным изменениям. Продукты гена env — белки gp41 и gp120 (далее комплекс из этих двух белков будем обозначать Env) — образуют тример (по три молекулы Env), связывающийся с CD4. Белок gp120 содержит шесть доменов, которые способны взаимодействовать с этим рецептором (рис. 2). Проблема в том, что в ответ на ВИЧ-инфекцию антитела не всегда образуются ко всем доменам. Кроме того, аминокислоты, входящие в состав этих доменов, связаны с олигосахаридами, которые защищают домены от антител. Это еще одна особенность вируса, которая помогает ему уходить от иммунного ответа. Подробнее о том, как ВИЧ умудряется ускользать от иммунной системы, читайте в статье Устойчивость ВИЧ и его взаимоотношения с иммунной системой.



Один из подходов к созданию действенной вакцины против ВИЧ — синтез искусственных белковых тримеров из продуктов гена env. Такие тримеры состоят из укороченных вариантов субъединиц, которые соединены общим основанием. На основе таких тримеров можно создать вакцину, стимулирующую в организме синтез различных вариантов Env. Но несмотря на то, что молекулы Env действительно вызывают иммунный ответ, большинство образующихся антител не являются нейтрализующими, так как в основном образуются к основанию тримера, а не к доменам, которые непосредственно связываются с рецептором CD4.

Чем же в такой ситуации может помочь использование мРНК-вакцин? Вместо того, чтобы предоставлять организму готовые молекулы Env в виде искусственно созданных тримеров, при помощи вакцины можно заставить сами клетки синтезировать белки, собирать их в тримеры и присоединять к ним олигосахариды. Готовые белковые тримеры Env быстро разрушаются, а синтез белка с введенной мРНК может продолжаться несколько дней, в течение которых иммунная система будет получать для тренировки всё новые «образцы» Env. Кроме того, можно синтезировать полноразмерный белок, избежав проблемы возникновения антител к общему основанию рекомбинантного тримера. Наконец, в мРНК-вакцину можно поместить не один тип мРНК, а несколько. Ген gag ретровирусов (к которым относится ВИЧ) кодирует различные белки, необходимые для образования капсида (см. картинку дня Капсид ВИЧ). Введение этого гена в клетки приводит к образованию вирусоподобных частиц, которые лучше распознаются иммунной системой, чем обычные белки, выставленные на поверхность клетки (K. Saunders et al., 2021. Lipid nanoparticle encapsulated nucleoside-modified mRNA vaccines elicit polyfunctional HIV-1 antibodies comparable to proteins in nonhuman primates).

Используя всю эту информацию, исследователи из нескольких научных учреждений США и Канады создали прототип мРНК-вакцины против ВИЧ-1 (самого распространенного типа ВИЧ). Результаты этой работы опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature Medicine.

Ученые начали с экспериментов на клеточных культурах. Они ввели мРНК гена env вируса иммунодефицита человека первого типа (ВИЧ-1) и мРНК гена gag вируса иммунодефицита обезьян (дальнейшие эксперименты проходили на макаках) в клетки линии HEK293. Это, как и ожидалось, приводило к образованию вирусоподобных частиц (рис. 3). Они имели размер чуть меньший, чем вирионы ВИЧ (приблизительно 90 мкм против 120 мкм), но обладали мембраной, на которой были шипы из Env. Количество этих шипов было больше, чем у обыкновенных вирионов ВИЧ-1, что позволило ожидать формирования более выраженного иммунного ответа.

Затем исследователи переключились на мышей, чтобы проверить, насколько эффективнее окажется введение мРНК сразу двух генов env и gag по сравнению с введением мРНК одного только гена env. Мышам дважды (с интервалом в 28 дней) вводили мРНК, заключенные в липидные наночастицы. В обоих случаях — и при введении env+gag, и при введении только env — у животных возникал иммунный ответ, однако частицы с двумя мРНК давали нейтрализующие антитела чаще, чем частицы, которые содержали только мРНК env.

Дальнейшие исследования проводили на макаках-резусах, в исследовании были задействованы 14 особей: 7 — в группе вакцинированных и 7 — в контрольной группе. Авторы использовали сложную схему вакцинации (рис. 4), каждый этап которой был тщательно продуман, чтобы решать различные проблемы, связанные с появлением антител к комплексу Env: присутствие различных подтипов и линий ВИЧ и затруднение распознавания Env антителами из-за олигосахаридов на его поверхности.



На первом этапе вакцинации, состоявшем из трех инъекций, ученые вводили макакам мРНК гена env одной из линий подтипа B ВИЧ-1 (в литературе эта линия обозначается WITO4160.27 или WITO). Подтип В — самый распространенный в Северной Америке и Европе. Авторы выбрали эту линию вируса, потому что его комплекс Env имеет все самые распространенные варианты эпитопов, к которым образуются антитела. Кроме того, он способен взаимодействовать с рецептором CD4 макак.

Первый укол содержал мРНК с мутацией, которая не позволяет аминокислоте №276 готового белка связаться с олигосахаридами. Это усиливает распознавание рецептора антителами (поскольку на нем теперь нет олигосахаридного «щита»). Второй и третий уколы содержали мРНК Env WITO без такой мутации, но с заменой глицина на позиции 173 на глутамат. Такая форма, наоборот, прикрывает доступные для связывания участки Env. Таким образом, иммунная система макак сначала получала легкую задачу, а потом — задачу посложнее. При этом четырем макакам вновь вводили мРНК (подгруппа 1, «РНК»), а трем оставшимся макакам вместо третьего укола мРНК вводили рекомбинантные тримеры Env (подгруппа 2, «РНК+белки»). Они соответствовали мРНК, которую вводили при втором уколе всем животным. Авторы сделали это, чтобы узнать, будет ли бустер белковой вакциной давать дополнительную защиту.

На втором этапе вводили мРНК env двух других подтипов ВИЧ-1, которые обозначаются BG505 и DU422. Линия BG505 относится к подтипу А, она хорошо изучена, а ее Env распознается нейтрализующими антителами. Линия DU422 имеет такую конформацию комплекса Env, что В-клетки образуют всего лишь небольшое количество антител, не способных нейтрализовать вирус. Такие вакцины вводили 4 раза. Подгруппе макак, которым ранее вводили рекомбинантные тримеры Env, во время четвертого укола на этом этапе опять вводили не мРНК, а белковую вакцину.

Наконец, на третьем этапе делали еще три инъекции: сначала укол рекомбинантного тримера JR-FL SOSIP.664 (для всей вакцинированной группы), затем укол мРНК или тримера Env WITO, а затем еще один укол белковой вакциной, содержащей рекомбинантные тримеры WITO, BG505, DU422 и JR-FL SOSIP.664. Этот этап первоначально не планировался, но авторы решили добавить его, чтобы увеличить титр антител перед тем, как заразить макак вирусом иммунодефицита. В общей сложности вакцинированные животные получили по 10 инъекций. Несмотря на это животные довольно неплохо переносили вакцинацию — основными побочными эффектами были боли в месте введения и потеря аппетита.

У всех участвовавших в исследовании макак несколько раз брали кровь, чтобы проверить, образуются ли антитела к тримеру Env ВИЧ-1 и в каком количестве. Антитела возникали уже через 6 недель после первой инъекции и их титр увеличивался после бустерных инъекций на 11 и 19 неделях эксперимента (рис. 4, b). Как уже говорилось, часть антител к Env не способна нейтрализовать вирусную частицу, так как связывается с его участками, не вовлеченными в распознавание рецептора CD4. Участок V3 Env как раз является таким «неудачным». Авторы проверили, образуются ли антитела к этому участку. Оказалось, что только небольшая часть антител способна его распознавать, а в ходе вакцинации такие антитела возникают медленнее, чем антитела к рецептор-связывающим участкам тримера Env.

Что касается нейтрализующих антител, то они образовывались после второго укола (на 11 неделе), однако их титр затем довольно быстро падал, подрастая только после второго этапа вакцинации (рис. 5). Антитела из сыворотки крови, полученной на последней, 58-й, неделе эксперимента, протестировали против набора тримеров Env, которые соответствуют различным штаммам ВИЧ-1, встречающимся по всему миру. Почти все штаммы связывались с выработанными антителами, кроме контроля (Env одного из штаммов вируса иммунодефицита обезьян) и одного из штаммов (CNE55). Также авторы обнаружили, что вакцины способны вызывать не только образование антител, но и Т-клеточный ответ.



Наконец, авторы протестировали эффективность вакцины против самого вируса in vivo. Через две недели после последней инъекции исследователи 13 раз вводили макакам ВИЧ-1, модифицированный так, чтобы он мог заразить макак. Попытки заражения делались раз в неделю. У животных из контрольной группы (которые, напомню, не получали никаких компонентов вакцины) вирусные частицы в крови обнаружились уже через три недели. Из семи макак в экспериментальной группе (которые получили полный курс вакцинации) у двух даже после 13 еженедельных инъекций ВИЧ не наблюдалось никаких признаков заражения. У пяти животных инфекция проявилась, но происходило это в среднем через 8,1 недель после первой попытки заражения. По оценкам авторов вакцинация снижала вероятность заболевания ВИЧ на 76% (для подгруппы 1) и на 86% (для подгруппы 2) при каждой попытке заражения (если усреднить по обеим подгруппам, то получится, что риск снижается на 79%).

Безусловно, пока это исследование носит лишь предварительный характер, а до клинических испытаний на людях еще очень далеко. Во-первых, протокол вакцинации сложный и в нем задействовано много разных препаратов. Практическая реализация такого протокола вряд ли возможна в реальных условиях — особенно в регионах с большой долей ВИЧ-положительного населения (например, на юге Африки). Во-вторых, используются очень высокие дозы мРНК — до 400 мкг (для сравнения, доза мРНК в вакцине Cominarty составляет всего 30 мкг, а в вакцине Spikevax — 100 мкг). Также есть вопросы относительно эффективности. В исследованиях на животных, а особенно на приматах, по финансовым и этическим соображениям обычно используется минимально необходимое для статистической значимости количество особей. Семь макак в экспериментальной группе — это допустимое количество, но пока сложно оценить, какова будет эффективность на большей выборке. У двух макак, судя по результатам исследования, после вакцинации выработался довольно сильный иммунитет к ВИЧ — они не заболели даже после 13 попыток их заразить. Однако остальные макаки рано или поздно заражались. При этом у них образовывались антитела, способные нейтрализовать самые распространенные линии ВИЧ-1, но их титры были недостаточно высоки, чтобы обеспечить полную защиту. Авторы пишут, что такая эффективность достаточно хорошая для варианта вируса, против которого плохо образуются нейтрализующие антитела. Поэтому они с осторожным оптимизмом указывают, что разработанный ими прототип мРНК-вакцины можно использовать для дальнейшей разработки полноценной вакцины от ВИЧ для людей.

Источник: Peng Zhang, Elisabeth Narayanan, Qingbo Liu, Yaroslav Tsybovsky, Kristin Boswell, Shilei Ding, Zonghui Hu, Dean Follmann, Yin Lin, Huiyi Miao, Hana Schmeisser, Denise Rogers, Samantha Falcone, Sayda M. Elbashir, Vladimir Presnyak, Kapil Bahl, Madhu Prabhakaran, Xuejun Chen, Edward K. Sarfo, David R. Ambrozak, Rajeev Gautam, Malcom A. Martin, Joanna Swerczek, Richard Herbert, Deborah Weiss, Johnathan Misamore, Giuseppe Ciaramella, Sunny Himansu, Guillaume Stewart-Jones, Adrian McDermott, Richard A. Koup, John R. Mascola, Andrés Finzi, Andrea Carfi, Anthony S. Fauci & Paolo Lusso. A multiclade env–gag VLP mRNA vaccine elicits tier-2 HIV-1-neutralizing antibodies and reduces the risk of heterologous SHIV infection in macaques // Nature Medicine. 2021. DOI: 10.1038/s41591-021-01574-5.

Екатерина Грачева

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 29.12.2021 в 13:59

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии