HIV-1 Virus-Like Particles engineered to display a high antigen density. Preclinical development of a versatile vaccine platform

Abstract

Les vacunes són un dels avenços científics més rellevants de la història de la medicina. Tot i així, encara no disposem de vacunes protectores per alguns agents infecciosos, com el Virus de la Immunodeficiència Humana (VIH-1), que és l’agent causant de la síndrome de la immunodeficiència adquirida (SIDA). El VIH-1 s’ha resistit al desenvolupament d’una vacuna protectora, degut a una alta capacitat d’evadir la resposta immunitària i també a la incorporació d’una baixa densitat de glicoproteïnes de l’envolta (Env) a la seva superfície, que és la principal diana de les respostes neutralitzants. Els candidats de vacuna pel VIH-1 consisteixen en estratègies basades en vacunes d’àcids nucleic, proteïnes recombinats o plataformes multivalents que intenten induir respostes immunitàries potents equilibrant la resposta humoral i cel·lular. La incorporació d’antígens en plataformes multivalents permet induir respostes més potents que les proteïnes recombinants per si soles. A més, la combinació de diferents estratègies de vacunes també indueixen respostes més robustes. Una d’aquestes plataformes multivalents prometedores són les partícules similivíriques (VLPs, per les sigles en anglès Virus-like particles), que mimetitzen l’estructura del virus. Les VLPs són partícules no infeccioses i altament immunogèniques que no poden replicar-se, per això són prototips de vacunes segurs. Les VLPs es produeixen a nivell cel·lular per l’expressió de Gag, la proteïna estructural del VIH-1, afavorint la seva formació amb un embolcall lipídic similar al virus. Diferents antígens es poden incorporar a la superfície de les VLPs, però la seva incorporació és poc eficient. Per evitar aquesta limitació, el nostre grup ha dissenyat una novedosa estrategia per augmentar la densitat d’antígens a la superfície de la VLP que consisteix en fusionar un petit immunogen derivat d’Env (Min) amb Gag a través d’un domini transmembrana. La hipòtesi d’aquest treball és que l’expressió d’una alta densitat d’antígens a la superfície de les VLPs pot induir una resposta immunitària robusta que podria ser prometedora com a prototip de vacuna pel VIH-1. A més, aquesta plataforma de VLPs es pot adaptar fàcilment a una formulació de vacuna d’ADN administrada mitjançant electroporació in vivo, afavorint la generació d’un protocol de vacunació heteròleg que combini vacunes d’ADN i de VLPs. Els estudis d’immunogenicitat en ratolins van demostrar que el règim de vacunació heteròleg induïa una millor resposta immunitària en general. Els títols d’anticossos contra les proteïnes Gag i Min eren 10 vegades més elevats comparats amb un règim homòleg de VLPs, i les respostes cel·lulars eren marginalment superiors. Tot i que cap dels dos règims va ser capaç d’induir anticossos neutralitzants, els anticossos anti-Min eren de la subclasse IgG2c i per tant podrien ser capaços de generar respostes efectores dependent d’anticossos, fet rellevant ja que aquest tipus de respostes s’han associat amb una modesta protecció en assaigs clínics de vacunes pel VIH-1 en humans. La manca d’un model per a l’estudi de l’efecte protector de diferents candidats vacunals contra el VIH-1 en ratolins ens va portar a desenvolupar un model murí amb un empelt de cèl·lules de melanoma modificades per expressar la proteïna Min a la seva superfície i que actuaven de succedani d’una cèl·lula infectada pel VIH-1. La vacunació prèvia amb les VLPs va aconseguir frenar la progressió d’aquestes cèl·lules tumorals modificades, demostrant que aquestes VLPs van aconseguir induir una resposta immunitària completa i protectora. Finalment, vam demostrar la versatilitat de la nostra plataforma de VLPs amb alta densitat d’antígens expressant diferents immunògens a la seva superfície, fins i tot l’expressió de la proteïna Env trimèrica amb tota la seva complexitat antigènica. En resum, la nostra plataforma de vacunes basada en VLPs que expressen una alta densitat d’antígens ha demostrat el seu potencial com a vacuna pel VIH-1.

Las vacunas son uno de los avances científicos más relevantes de la historia de la medicina. Aún así, no disponemos de vacunas protectoras contra algunos agentes infecciosos, como el Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH-1), que es el agente causante del síndrome de la inmunodeficiencia adquirida (SIDA). El VIH-1 se ha resistido al desarrollo de una vacuna protectora, debido a su alta capacidad de evadir la respuesta inmune i también de incorporar una baja densidad de glicoproteínas de la envuelta (Env) en su superficie, que es la principal diana de los anticuerpos neutralizantes. Los candidatos de vacuna frente el VIH-1 se han basado en estrategias basadas en vacunas de ácidos nucleicos, proteínas recombinantes o plataformas multivalentes que tratan de inducir potentes respuestas inmunitarias equilibrando la respuesta humoral y celular. La incorporación de antígenos en plataformas multivalentes permite inducir respuestas más potentes que las proteínas recombinantes por si solas. Además, la combinación de distintas estrategias de vacunas también induce respuestas más robustas. Una de estas prometedoras plataformas multivalentes son las partículas similares a virus (VLP, por las siglas en inglés Virus-like Particles), que mimetizan la estructura del virus. Las VLP son partículas no infecciosas y altamente inmunogénicas que no se pueden replicar, por eso son prototipos seguros de vacunas. Las VLP se producen a nivel celular por la expresión de Gag, la proteína estructural del VIH-1, favoreciendo la formación de VLP con una envuelta lipídica similar al virus. Distintos antígenos se pueden incorporar a la superficie de la VLP, pero su incorporación es poco eficiente. Para evitar esta limitación, nuestro grupo ha diseñado una estrategia novedosa para aumentar la densidad de antígenos a la superficie de la VLP que consiste en fusionar un pequeño inmunógeno derivado de Env (Min) con Gag a través de un dominio transmembrana. La hipótesis de este trabajo es que la expresión de una alta densidad de antígenos en la superficie de las VLP puede inducir una respuesta inmunitaria robusta y que podría ser prometedora como prototipo de vacuna contra el VIH-1. Además, esta plataforma de VLPs se puede adaptar fácilmente a una formulación de vacuna de ADN administrada a través de electroporación, favoreciendo la generación de un protocolo de vacunación heterólogo que combine vacunas ADN y VLP. Los estudios de inmunogenicidad en ratones demostraron que el régimen de vacunación heterólogo inducía una mejor respuesta. Los títulos de anticuerpos contra las proteínas Gag y Min eran 10 veces más elevadas comparados con el régimen homólogo de VLP, y las respuestas celulares eran marginalmente superiores. Aunque ninguno de los dos regímenes fue capaz de inducir anticuerpos neutralizantes, los anticuerpos anti-Min eran de la subclasse IgG2c, y por lo tanto podrían ser capaces de generar respuestas efectoras dependientes de anticuerpos. Este tipo de respuestas se ha asociado con una modesta protección en ensayos clínicos de vacunas frente el VIH en humanos. La absencia de un modelo para estudiar el efecto protector de candidatos de vacunas contra el VIH en ratones nos llevó a desarrollar un modelo murino donde células de melanoma modificadas para expresar la proteína Min en su superficie actuaran de sucedáneo a una célula infectada por el VIH-1. La vacunació previa con VLP en ratones consiguió frenar la progresión de las células tumorales modificadas, demostrando que nuestras VLP indujeron una respuesta inmunitaria completa y protectora. Finalmente, demostramos la versatilidad de nuestra plataforma de VLP para la alta expresión e antígenos presentando distintos inmunógenos, incluyendo la proteína Env con toda su complejidad antigénica. En resumen, nuestra plataforma de vacunas basada en VLP que expresan una alta densidad de antígenos ha demostrado su potencial como vacuna frente el VIH.

Vaccines are one of the most successful achievements in the history of medicine. However, for some infectious agents, there still is a lack of an effective protective vaccine. Such is the case of the Human Immunodeficiency Virus (HIV-1), which is the causative agent of the acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). HIV-1 has eluded nearly 40 years of vaccine research owing to its enhanced immune evasion mechanisms and the poor incorporation of the envelope glycoprotein (Env) at the viral surface, which is the main target for neutralising antibodies. HIV-1 vaccine candidates are based on nucleic acid strategies, subunit proteins or multivalent platforms that try to elicit potent and balanced humoral and cellular adaptive immune responses. The presentation of antigens within a multivalent platform induces a superior immune response compared to subunit proteins, and the combination of different vaccine strategies has been demonstrated to elicit more robust responses. One of these promising multivalent vaccine platforms are virus-like particles (VLPs), which mimic the structure of the virus. VLPs are non-infectious, non-replicative and highly immunogenic platforms that can be safely used as vaccines. HIV-1 based VLPs are produced by the cellular expression of the HIV-1 structural protein Gag, leading to the budding of lipid-enveloped VLPs that are structurally similar to HIV-1. The antigens can be easily expressed on the lipid membrane of the VLPs, but with poorly efficient incorporation. To bypass this limitation, our group designed a novel VLP-based platform yielding a high density of antigens at the VLP surface. This novel strategy consisted in fusing a small Env-derived immunogen (Min), which had a transmembrane domain, to Gag. This process resulted in high-density antigen-expressing MinGag-VLPs. The hypothesis of this work was that the expression of a high density of antigens at the surface of VLPs would induce a robust immune response that could be beneficial for an HIV-1 vaccine candidate. To test that, we developed efficient production and purification protocols for our fusion-protein MinGag- VLPs. Additionally, antigen exposition on MinGag-VLPs was improved by the introduction of mutations at the transmembrane domain, resulting in an optimised Min(RA)Gag-VLP candidate. Furthermore, the fusion-protein VLP vaccine platform could easily be formulated into nucleic acid-based vaccine strategies that were successfully delivered by in vivo DNA electroporation, favouring the development of combination heterologous DNA/VLP strategies that could lead to more potent responses. In vivo immunogenicity studies in mice demonstrated the superiority of heterologous DNA/VLP vaccination compared to homologous VLP regimens in most of the immune parameters assessed. Immune profiling of immunised mice showed how antibody titres in plasma were approximately 10-times higher with the heterologous regimen. Fusion-protein VLPs induced modest cellular responses and non-neutralising antibodies against HIV-1 pseudoviruses. However, these mouse anti-Min antibodies mainly displayed an IgG2c profile that could mediate antibody-dependent effector functions. This finding was relevant since these types of responses have been associated with modest correlates of protection against HIV-1 in human clinical trials. The absence of a relevant mouse model to study vaccine-mediated protection by vaccination led us to develop a mouse model where a Min-expressing tumour cell line acted as a surrogate of HIV-1 infected cells. Vaccination with Min(RA)Gag-VLPs efficiently impaired the progression of the Min-expressing tumour, hence demonstrating that fusion-protein-VLPs induced a full-fledged protective immune response. Finally, fusion-protein VLPs confirmed their versatility as a platform since they could present a wide diversity of immunogens on their surface, including a full HIV-1 Env trimer with preserved antigenicity. Overall, our novel VLP platform demonstrated its potential and that merits further studies as potential HIV-1 vaccine candidates.