Protein Subunit Vaccine Development for COVID-19 and Syphilis

Abstract

Al llarg de la història, l'espècie humana s'ha vist sacsejada per diferents malalties infeccioses. Tot i que el sistema immune és altament efectiu protegint-nos d'infeccions, a vegades falla, i emmalaltim. La medicina moderna ha utilitzat les vacunes per lluitar contra patògens, ja que són un dels major acompliments pel control i l'erradicació de les malalties infeccioses. En aquest treball, utilitzem una plataforma basada en proteïna/subunitat per desenvolupar dues vacunes, una contra SARS-CoV-2 i una altra contra Treponema pallidum subsp. pallidum.

SARS-CoV-2 és l'agent etiològic de la recent pandèmia de la COVID-19. Específicament, la infecció per SARS-CoV-2 comença amb la interacció entre la Spike viral i la proteïna ACE2 de la superfície de la cèl·lula. La proteïna Spike, i més específicament el seu domini RBD, és una de les principals dianes de la immunitat cel·lular i humoral. Com que les dues respostes s'han relacionat amb el millorament de la malaltia, la majoria de les vacunes actuals contra la COVID-19 estan basades en la Spike o el domini RBD. Tot i així, la Spike que s'ha utilitzat en algunes d'aquestes vacunes (S-2P) encara mostra certa inestabilitat estructural, la qual pot afectar a la seva producció i antigenicitat. Per tant, hem explorat diferents estratègies d'estabilització estructural de la Spike i hem avaluat la seva immunogenicitat i capacitat profilàctica contra la infecció pel SARS-CoV-2 en ratolins K18-hACE2 i hàmsters Siris. En resum, hem identificat un conjunt de mutacions que augmenten la producció de proteïna i milloren la capacitat protectora contra la malaltia greu en models animals, comparat amb la S-2P.

Treponema pallidum subsp. pallidum produeix sífilis, una malaltia venèria. Tot i que la sífilis no és una malaltia nova i es pot tractar fàcilment amb penicil·lina, el número de casos ha augmentat en les últimes dècades. Com que les mesures mèdiques actuals no han sigut capaces d'evitar la seva propagació, vacuna podria ser determinant pel seu control. Desafortunadament, la vacuna contra sífilis sembla presentar algunes dificultats. Concretament, T. pallidum es caracteritza per una baixa densitat antigènica en la seva superfície, i presenta múltiples mecanismes d'evasió immune. En aquest treball, hem hipotetitzat que una vacuna contra sífilis hauria d'incloure un ampli repertori de proteïnes de la membrana externa. Per a aquesta raó, es van seleccionar, produir, i avaluar la seva immunogenicitat en ratolins. En resum, el conjunt de proteïnes avaluades van produir anticossos específics que són capaços de bloquejar la unió de les proteïnes recombinants a les proteïnes de la matriu extracel·lular.

A lo largo de los años, la especie humana se ha visto azotada por diferentes enfermedades infecciosas. En este sentido, las vacunas han sido cruciales para el control y la eradicación de estas, considerandose uno de los hitos de la medicina moderna. En el trabajo expuesto se han desarrollado dos vacunas basadas en subunidades contra SARS-CoV-2 y Treponema pallidum subsp. pallidum.

SARS-CoV-2 es el agente etiológico de la COVID-19. La infección por SARS-CoV-2 se da con la unión de la Spike viral a la proteína ACE2 en la superficie celular. La proteína Spike, y más concretamente su dominio RBD, son diana de la respuesta immune celular y humoral. Dado que esta respuesta se ha relacionado con un mejor pronóstico de la enfermedad, la mayoría de vacunas contra SARS-CoV-2 se basan en la Spike o el RBD. Sin embargo, algunas vacunas contienen una forma mutada de la Spike (S-2P) que presenta cierto grado de inestabilidad estructural y que afecta a su expressión e immunogenicidad. Es por ello que en esta tesis se exploran nuevas aproximaciones de estabilización de la proteína Spike y sus efectos en la immunogenicidad y la eficacia contra la infección por SARS-CoV-2 en ratones K18-hACE2 y hámsters sirios. En conclusión, se describieron un conjunto de mutaciones de la Spike que mejoraron tanto la producción como la protección frente a la enfermedad severa en comparación con la S-2P.

Treponema pallidum subsp. pallidum es el patógeno causante de la sífilis, una enfermedad venérea. A pesar de que la sífilis no es una enfermedad nueva y tiene fácil tratamiento, el número de casos ha incrementado en las últimas décadas. Así pues, las medidas sanitarias actuales no han sido capaces de evitar su propagación y una vacuna sería determinante para su control. Sin embargo, la vacuna contra la sífilis permanece esquiva y enfrenta algunos desafíos. Concretamente T. pallidum se caracteriza por una baja densidad antigénica en su superficie y consta de varios mecanismos de evasión inmune. En este trabajo, hipotetizamos que una vacuna contra la sífilis debería incluir un amplio repertorio de proteínas de membrana externa. Es por ello por lo que se seleccionaron y produjeron un conjunto de proteínas y se evaluó su inmunogenicidad en ratones. Como conlusión las proteínas evaluadas produjeron anticuerpos específicos que además tenían la capacidad de bloquear la unión de las proteínas recombinantes a proteínas de la matriz extracelular.

Throughout history, the human species has been challenged by different pathogens. Althought the immune system is highly effective protecting us from their infection, in some cases it fails, and we fall sick. Nowadays, modern medicine has vaccines to fight pathogens, which are considered one of the most successful achievements for infectious disease control and eradication. Thus, in the present work we use protein-subunit platform for the development of two vaccines against two pathogens: SARS-CoV-2 and Treponema pallidum subsp. pallidum, with a totally different approach.

SARS-CoV-2 is the etiologic agent of the recent COVID-19 pandemic. Specifically, SARS-CoV-2 infection begins with the interaction between the viral Spike and the ACE2 protein on the host cell surface. The Spike protein, and more specially its RBD domain, is one of the main targets of cellular and humoral immunity. Since both responses have been related with a disease improvement, most current vaccines against SARS-CoV-2 are based on the entire Spike or RBD. However, the Spike used in some of these vaccines (S-2P) still shows some structural instability, which can affect its yield and antigenicity. Thus, we explored different structural stabilization approaches of Spike and evaluated their immunogenicity and prophylactic capability against SARS-CoV-2 infection in K18-hACE2 mice and golden Syrian hamsters. Overall, we found a set of mutations that increased recombinant protein yield and showed higher efficacy than S-2P at protecting from severe disease in animal models.

Treponema pallidum subsp. pallidum causes syphilis, a venereal disease. Despite syphilis is an old known disease and it is easily treated with penicillin; the number of cases has been rising in the last decades. Thus, current medical measures are not enough for its control and a syphilis vaccine could be pivotal. However, syphilis vaccine has been elusive despite several attempts. Treponema pallidum is characterized by a paucity of surface proteins and multiple immune evasion mechanisms. To overcome these issues, we hypothesized that a syphilis vaccine should include a wide outer membrane protein repertoire. Here, we selected and produced a set of proteins, as well as evaluated their immunogenicity in mice. Results showed that a multiple protein preparation induced antigen-specific antibodies with capacity of blocking the binding of recombinant proteins to host proteins of the extracellular matrix.