Makaku HIV modelis lika retām plašām antivielām parādīties ātrāk — pavediens vakcīnai, vēl ne vakcīna

Noderīgais rezultāts nav “HIV vakcīna”

HIV vakcīnu pētniecībā aiz vienkāršas frāzes slēpjas sarežģīta problēma: plaši neitralizējošas antivielas.

Šīs antivielas, ko parasti saīsina kā bNAb, spēj atpazīt daudzus atšķirīgus HIV variantus, nevis tikai vienu šauru vīrusa paveidu. Tāpēc tās ir tik svarīgas. Pasīvās pārneses pētījumi rāda, ka pareizo bNAb ievadīšana var pasargāt makakus no SHIV infekcijas izaicinājuma, bet cilvēkiem antiviela VRC01 aizsargāja pret pret to jutīgiem vīrusa variantiem. Daudz grūtāk ir panākt, lai organisms šādas antivielas pats izveidotu pēc vakcinācijas.

Iemesls nav tikai tas, ka HIV mutē. Grūtākā daļa ir tā, ka labākās bNAb parasti nerodas vienā solī.

Tās bieži izveidojas ilgstošā evolucionārā “sarunā” starp vīrusu un imūnsistēmu. Vispirms vajadzīga reta sākuma šūna: B šūnas priekštecis, kura receptors ir pietiekami piemērots pareizās vīrusa struktūras atpazīšanai. Tad vīruss mainās, lai izvairītos no antivielām, kas sāk parādīties. Arī antivielas ražojošā B šūnu līnija mainās. Ciklu pēc cikla vīruss un antiviela savstarpēji virza mutācijas un atlasi.

Dabiskā infekcijā tas var aizņemt mēnešus vai gadus, un tikai nelielai daļai cilvēku izveidojas patiesi plaša neitralizācija — antivielas, kas neitralizē daudz dažādu HIV variantu, nevis tikai sākotnējo vīrusa paveidu.

Jaunais Science raksts, ko publicējuši Ashwin Skelly, Harry Gristick, Hui Li, Edem Gavor un kolēģi, šo problēmu cilvēkiem neatrisina. Tas izdara ko šaurāku, bet joprojām svarīgu: izveido makaku SHIV modeli, kurā viena daudzsološa bNAb klase parādās daudz biežāk un daudz ātrāk nekā parasti, un rekonstruē divu soļu ceļu, kā tas notiek.

Precīzais secinājums nav “mums ir HIV vakcīna”. Tas ir: autori izveidoja modeli, kas retu antivielu attīstības ceļu padara pietiekami redzamu, lai to varētu pētīt un, iespējams, mēģināt atdarināt.

Ko autori izmainīja

Mērķis ir V3-glikāna reģions HIV apvalka proteīnā.

Šī frāze apvieno vairākas idejas. HIV ieskauj apvalka proteīns, parasti saukts par Env, ko vīruss izmanto, lai iekļūtu šūnās. Viena Env daļa ir V3 cilpa. Tās pamatnes tuvumā ir ievainojams apgabals ar glikāniem — pie proteīna piesaistītām cukuru grupām. Divus svarīgus glikānus šajā reģionā sauc N332 un N301; nosaukumi norāda vietas, kur šie cukuri atrodas Env struktūrā.

Dažas cilvēka bNAb spēj atpazīt šo V3-glikāna reģionu un ļoti efektīvi neitralizēt HIV. Autori arī norāda, ka V3-glikāna bNAb ir strukturāli un ģenētiski daudzveidīgākas nekā dažas citas bNAb klases. Vakcīnu izstrādei tā ir laba ziņa: ja mērķi var sasniegt vairāki dažādi B šūnu priekšteči, nav jātrāpa tikai vienā ārkārtīgi retā ģenētiskā sākumpunktā.

Autori strādāja ar pērtiķu-cilvēka imūndeficīta vīrusa modeli jeb SHIV. SHIV nav pats HIV; tas ir himērisks vīruss, ko izmanto makakos, lai dzīvnieku modelī pētītu imūnreakcijas pret HIV apvalku.

Viņi izveidoja vīrusu SHIV.5MUT. Nosaukums ir tehnisks, bet ideja vienkārša: paņemt SHIV ar HIV apvalku un nedaudz izmainīt šo apvalku, lai apslēptais V3-glikāna mērķis antivielām kļūtu pieejamāks.

Galvenās izmaiņas bija HIV apvalka V1 cilpā. Salīdzinot ar sākotnējo SHIV.BG505.N332 apvalku, 5MUT atšķiras četrās V1 cilpas aminoskābju pozīcijās: V134Y, N136P, I138L un D140N. Katrs kods nozīmē, ka vienā numurētā pozīcijā viena aminoskābe aizstāta ar citu. Šīs četras izmaiņas padarīja V3-glikāna epitopu — virsmu, ko atpazīst antiviela — pieejamāku jau zināmām V3-glikāna antivielām.

Dzīvnieku eksperimentā salīdzināja trīs situācijas.

Daļa makaku vispirms tika imunizēti ar agrāk izstrādātiem Env imūnogēniem un pēc tam inficēti ar SHIV.5MUT. Tātad viņu imūnsistēma jau bija redzējusi īpaši veidotus Env proteīnus pirms modificētā vīrusa parādīšanās.

Otra grupa pirms tam netika imunizēta un tika tieši inficēta ar SHIV.5MUT.

Kontroles grupa tika inficēta ar sākotnējo SHIV.BG505.N332, kuram nebija to pašu 5MUT V1 cilpas izmaiņu.

Šāds dizains ir svarīgs, jo pārsteidzošais rezultāts nebija vienkārši sākotnējās vakcinācijas sekas. Autori secināja, ka pats modificētais vīruss vai no tā evolucionējis variants, šķiet, bija galvenais bNAb līniju ierosinātājs.

Ko viņi atklāja

Pētījumu sāka ar 42 inficētiem makakiem četrās grupās. Produktīva infekcija izveidojās visiem 42, tātad izaicinājuma vīruss patiešām nostiprinājās. Seši dzīvnieki pēc tam tika izslēgti no galvenās viena gada analīzes: pieciem ilgstoši bija ļoti liela vīrusa slodze un strauji attīstījās AIDS, bet viens kontrolēja infekciju ar ļoti mazu vīrusa daudzumu asinīs un bez nosakāmas autologas neitralizācijas — antivielu spējas neitralizēt pašu infekciju izraisošo vīrusu. Palika 22 ar SHIV.5MUT inficēti makaki un 14 kontroles dzīvnieki ar sākotnējo SHIV.

Autori definēja plazmas bNAb atbildi kā vismaz trīs no astoņiem heterologiem vīrusiem neitralizētu 48 nedēļu laikā pēc infekcijas. “Heterologs” šeit nozīmē atšķirīgu no infekciju izraisījušā vīrusa, tātad tests pārbauda, vai antivielu darbība sniedzas ārpus sākotnējā varianta.

Pēc šīs definīcijas bNAb atbilde attīstījās 14 no 22 ar SHIV.5MUT inficētiem makakiem. Kontroles grupā ar sākotnējo SHIV.BG505.N332 tā neattīstījās nevienam no 14. Atšķirība autoru testā bija ļoti statistiski nozīmīga (P < 0,0001, Fišera precīzais tests).

Astoņi SHIV.5MUT dzīvnieki neitralizēja vismaz sešus no astoņiem heterologajiem vīrusiem skrīninga panelī, un ID50 titri bieži pārsniedza 1:1000. ID50 ir atšķaidījuma rādītājs: ja neitralizācija joprojām ir nosakāma pēc plazmas vairāk nekā tūkstoškārtīgas atšķaidīšanas, reakcija nav tikko virs noteikšanas robežas. Visa plazmas neitralizācijas plašuma aktivitāte tika piesaistīta V3-glikāna epitopam.

Pēc tam autori izolēja antivielu līnijas no dzīvniekiem ar visplašāko plazmas neitralizāciju. Viņi pārbaudīja 238 monoklonālas antivielas no 106 līnijām un atrada 12 V3-glikāna bNAb līnijas astoņos makakos.

Lielākā 130 vīrusu globālā panelī šo antivielu rezultāti ļoti atšķīrās. Neitralizācijas plašums bija no 6% līdz 68%. “Plašums” ir testēto vīrusu daļa, ko antiviela spēj neitralizēt. Ģeometriskais vidējais IC50 bija no 0,06 līdz 2,80 mikrogramiem mililitrā; IC50 ir antivielas koncentrācija, kas testā samazina infekciju uz pusi, tāpēc zemāka vērtība parasti nozīmē spēcīgāku neitralizāciju.

Labākās antivielas sasniedza plašumu, kas līdzinājās spēcīgām no cilvēkiem iegūtām V3-glikāna bNAb, taču diapazons ir svarīgs: ne visas izolētās antivielas bija plašas.

Arī antivielu līnijas bija daudzveidīgas. Darbs analizēja antivielu uzbūvi: kādus mainīgās smagās ķēdes gēnu segmentus tās izmantoja, cik gara bija svarīga saistīšanās cilpa un cik daudz antivielu gēni bija mutējuši nobriešanas laikā. Līnijas izmantoja vairākus VH3 un VH4 gēnu saimes segmentus, CDRH3 cilpu garums bija 14–25 aminoskābes, bet vidējā VH somatisko mutāciju pakāpe nukleotīdu līmenī bija 8,4%. Autori to uzskata par iedrošinošu: pēc veiksmīgas ierosināšanas šīm līnijām, iespējams, nav vajadzīgs tik ekstremāls mutāciju apjoms kā dažām citām HIV bNAb klasēm.

Divu soļu mehānisms

Interesantākais nav tikai tas, ka antivielas parādījās. Svarīgi ir, kā tās parādījās.

Autoru modelis paredz divus soļus.

Pirmkārt, SHIV.5MUT padara pieejamu izmainīto V1 cilpas reģionu. Agrīnā antivielu atbilde vēršas pret V1. Tad vīruss izvairās no šīm antivielām, saīsinot V1 cilpu un mainot tās glikozilāciju — pievienoto cukuru rakstu.

Otrkārt, šie saīsinātās V1 cilpas izbēgšanas varianti labāk atklāj zemāk esošo V3-glikāna epitopu. Tas ļauj iesaistīties V3-glikāna bNAb priekšteču B šūnām. Pēc to aktivēšanas vīruss un antivielu līnijas turpina koevolūciju, un dažas līnijas nobriest plašas neitralizācijas virzienā.

Tieši šeit slēpjas reālais vakcīnu dizaina pavediens. Autori ne tikai parāda imūnreakciju; viņi kartē notikumu secību, ko izstrādātāji nākotnē varētu mēģināt atkārtot bez replicējoša vīrusa infekcijas.

Darbs arī norāda, ka cilvēkiem, visticamāk, ir līdzīgs “izejmateriāls” šim ceļam. VH gēnu segmenti, ko izmantoja makaku bNAb priekšteči, ir starp biežajiem alēļu variantiem gan rēzusmakaku, gan cilvēku imūnglobulīnu datubāzēs. Tas nepierāda, ka cilvēkiem darbosies tas pats ceļš, taču padara rezultātu nozīmīgāku par vien makaku bioloģijas īpatnību.

Ko tas nepierāda

• Tas neparāda, ka ir radīta HIV vakcīna.
• Tas neparāda aizsardzību pret HIV infekciju cilvēkiem.
• Tas neparāda, ka vakcinācija viena pati spēj reproducēt šo ceļu.
• Tas neparāda, ka cilvēks droši un uzticami izveidotu tās pašas antivielas.
• Tas nepierāda, ka pats modificētais SHIV ir vakcīnas platforma.
• Tas neatceļ vajadzību pēc klīniskajiem pētījumiem, drošības pārbaudēm, devu stratēģijas un imūnogēnu dizaina.
• Tas nenozīmē, ka visas V3-glikāna antivielu līnijas ir vienlīdz noderīgas; izolēto antivielu spektrs bija no šaura līdz plašam.

Svarīgākā robeža ir infekcijas modelis. SHIV.5MUT darbojās kā “evolucionējošs imūnogēns”, jo tas replicējās un mainījās imūnspiediena ietekmē. Zinātniski tas ir ļoti noderīgi, taču cilvēka profilaktisku vakcīnu nevar vienkārši veidot kā nekontrolētu replicējoša vīrusa procesu.

Tulkojums uz klīnisku risinājumu ir grūtāks: jāizstrādā imūnogēni, kas droši atdarina noderīgo ekspozīciju secību, neizmantojot infekciju kā dzinēju.

Cik pārliecinoši ir pierādījumi?

Par to, ko darbs patiešām apgalvo, pierādījumi ir spēcīgi.

Galvenais salīdzinājums ir skaidrs: 14 no 22 pret 0 no 14 vienā un tajā pašā 48 nedēļu logā. Autori sasaista plazmas neitralizāciju, monoklonālu antivielu izolēšanu, strukturālo analīzi, B šūnu receptoru sekvenēšanu un vīrusa secību izmaiņas laika gaitā. Šāda kombinācija ir pārliecinošāka nekā viens neitralizācijas rādītājs.

Arī mehānisma stāsts ir neparasti izsekojams. Autori var redzēt agrīnu atlasi pret V1, secināt bNAb priekštečus, izolēt nobriedušas antivielas, kartēt to epitopus, salīdzināt struktūras un sekot vīrusa secības izmaiņām laikā. Tieši tāpēc dzīvnieku modelis šeit ir noderīgs: tas ļauj veikt garengriezuma novērojumus, ko cilvēku infekciju pētījumos reti var iegūt tik tīri.

Ierobežojumi ir īsti. Modelī ir makaki, nevis cilvēki. SHIV ir aizstājējsistēma. Ceļš ietver infekciju ar modificētu vīrusu, nevis pabeigtu vakcinācijas shēmu. Un, lai gan antivielu atbilde bija bieža salīdzinājumā ar kontroli, 8 no 22 SHIV.5MUT dzīvniekiem tā tomēr neatbilda bNAb definīcijai.

Tātad pierādījumi ir spēcīgi par modeli un mehānismu. Vakcīnai tas joprojām ir agrīns posms.

Kāpēc tas ir svarīgi

HIV vakcīnu izstrāde bieži sākusies no retām veiksmīgām antivielām un gājusi atpakaļ: atrod nobriedušu bNAb, mēģina rekonstruēt tās priekšteci un pēc tam veido imūnogēnus, kas B šūnu līniju pakāpeniski virzītu pa to pašu ceļu.

Šis darbs piedāvā cita veida karti. Tas parāda reproducējamu ceļu, kur viens modificēts apvalka stāvoklis izraisa vīrusa izbēgšanu, bet šī izbēgšana atklāj nākamo mērķi. Imūnsistēmai netiek vienkārši parādīts gala epitops; mainīgs antigēns to pakāpeniski virza mērķa virzienā.

Ja vakcīnu izstrādātāji spēs replicējošā vīrusa daļu aizstāt ar kontrolētu imūnogēnu secību, tas var palīdzēt vienā no grūtākajām HIV vakcīnas problēmām: ierosināt pareizos priekštečus un nobriedināt tos, nezaudējot reakciju nepareizā virzienā.

Tas ir īsts progress. Un tieši tāpēc tas jāapraksta precīzi. Darbs dod labāku rasējumu HIV imūnogēnu dizainam. Tas vēl nav pati ēka.

Īss kopsavilkums

Skelly, Gristick, Li, Gavor un kolēģi izveidoja SHIV modeli, kurā V3-glikāna plaši neitralizējošas antivielas makakos parādījās daudz biežāk nekā pēc inficēšanas ar sākotnējo kontroles vīrusu. 48 nedēļu laikā plazmas bNAb atbilde attīstījās 14 no 22 ar SHIV.5MUT inficētiem makakiem, salīdzinot ar 0 no 14, kas saņēma sākotnējo SHIV.BG505.N332. Autori izolēja 12 V3-glikāna bNAb līnijas un izsekoja divu soļu mehānismu: agrīnas antivielas pret izmainītu V1 cilpu atlasīja saīsinātas V1 cilpas izbēgšanas variantus, kas atklāja V3-glikāna epitopu un ļāva aktivēt bNAb priekštečus. Tas ir svarīgs modelis un dizaina pavediens HIV imūnogēnu izstrādei. Tas nav cilvēka HIV vakcīnas rezultāts.

Bez pārspīlējumiem

Ko pētījums parāda: modificēts makaku SHIV modelis vienas HIV plaši neitralizējošu antivielu klases rašanos padarīja daudz biežāku nekā sākotnējais kontroles vīruss, un autori varēja izsekot ticamam divu soļu ceļam, kā šīs antivielas izveidojās.

Kas ir ticams, bet nav pierādīts: ka vakcīnu izstrādātāji šo ceļu varētu atdarināt ar kontrolētu imūnogēnu secību. Tā ir translācijas cerība, bet darbs to neparāda cilvēkiem un nedod pabeigtu vakcinācijas shēmu.

Ko tas neparāda: HIV vakcīnu, cilvēku aizsardzību pret HIV vai drošu veidu, kā replicējošu modificētu vīrusu izmantot kā vakcīnu. Tas arī neparāda, ka katra V3-glikāna antivielu līnija būs plaša vai noderīga.

Galvenais ierobežojums vispārīgam lasītājam: noderīgais mehānisms notika infekcijas modelī. SHIV.5MUT replicējās, izbēga no imūnspiediena un, mainoties, atklāja nākamo mērķi. Cilvēka profilaktiska vakcinācija šādu nekontrolētu procesu nevar vienkārši kopēt; vajadzīgi īpaši veidoti imūnogēni, kas droši atkārto noderīgo secību.

Cik lielai pārliecībai vajadzētu būt vispārīgam lasītājam? Augstai par to, ka makaku modelis un mehānisms šā eksperimenta ietvaros ir reāli. Daudz zemākai par to, ka rezultāts tieši paredz cilvēka vakcīnu. Godīgais secinājums ir labāks HIV imūnogēnu dizaina rasējums, nevis vakcīnas izrāviens.