Optimizing glycan shield coverage, germline B cell receptor binding and epitope diversity of V2-apex targeted HIV-1 Env immunogens

优化聚糖屏蔽覆盖、种系 B 细胞受体结合和 V2-apex 靶向 HIV-1 Env 免疫原的表位多样性

• 批准号: 10021396
• 负责人: Beatrice H Hahn
• 金额: $ 86.09万
• 依托单位: UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2019-09-19 至 2024-08-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10021396
• 关键词: AIDS Vaccines; Affinity; Amino Acids; Animal Model; Animals; Antibodies; Antibody Response; Antibody Specificity; Antigens; Autologous; Avidity; B-Cell Receptor Binding; B-Lymphocytes; Binding; CD4 Positive T Lymphocytes; Cavia; Cell Lineage; Complement; Country; Data; Development; Dose; Epitopes; Event; Evolution; Frequencies; Goals; HIV vaccine; HIV-1; HIV-1 vaccine; Human; Immunize; Infection; Macaca mulatta; Maps; Masks; Membrane; Messenger RNA; Monkeys; Monoclonal Antibodies; Nucleosides; Pathway interactions; Pattern; Performance; Phase; Polysaccharides; Prevalence; Property; Public Health; Receptors, Antigen, B-Cell; Regimen; Resistance; Rhesus; Testing; Translating; Vaccinated; Vaccination; Vaccine Design; Vaccine Research; Vaccines; Variant; base; bioinformatics tool; complementarity-determining region 3; cost; design; improved; in vivo; lipid nanoparticle; neutralizing antibody; neutralizing monoclonal antibodies; novel; novel vaccines; rectal; response; simian human immunodeficiency virus; tissue culture; vaccine delivery; vaccine efficacy; vector; virtual

PROJECT SUMMARY  A  central  goal  in  HIV/AIDS  vaccine  research  is  the elicitation  of  broadly neutralizing antibodies  (bNAbs).  Here,  we propose to leverage three recent discoveries from our groups to generate novel envelope (Env) immunogens  that  target  the  V1V2  region  of  the  trimer  apex.  By  studying  the  evolution  of  the  HIV-­1  Env  glycan  shield,  we  discovered that unshielded regions (“glycan holes”) in transmitted founder (TF) Envs are negatively associated  with  bNAb  development,  suggesting  that  strain-­specific  glycan  holes  delay  or  subvert  bNAb  development  (1).  Generating bNAb sensitivity signatures to design novel Signature-­based Epitope Targeted  (SET) vaccines, we  found that V2-­SET immunogens induced broader and more potent tier 2 heterologous NAbs in guinea pigs than  wild-­type  Envs,  indicating  that  inclusion  of  bNAb  signatures  significantly  improved  vaccine  performance  (2).  Studying 20 novel SHIVs in ~100 rhesus macaques (RMs) (3), we found that ~15% of animals developed varying  degrees of heterologous breadth by 6-­24 months, with the most common bNAb specificity targeting the V2 apex  (Table  1).  However,  bNAb  induction  in  SHIV  infection  is  still  infrequent,  thus  providing  a  unique  experimental  setting  to  test  iterative  Env  design  improvements  in  a  manner  that  is  faster  and  less  costly  than  human  trials.  Our hypothesis is that by (i) minimizing distracting glycan hole epitopes, (ii) increasing Env affinity for V2 apex  bNAb precursors, (iii) increasing relevant epitope diversity in vaccine  boosts, and (iv) incorporating B cell lineage  immunogen designs,  we  will  improve V2  bNAb  germline engagement  and bNAb  lineage  maturation.  We have  selected  the  CRF.AG.T250  (T250)  and  CAP256SU  (CAP256)  Envs  as  baseline  immunogens,  because  both  have  generated  V2  apex  bNAbs  in  SHIV  infected  RMs  (Table  1).  In  Aim  #1,  we  will  optimize  the  Env  glycan  shield and V2 germline targeting properties of T250 and CAP256 Envs, test their replication potential and tier 2  antigenicity in SHIV vectors, and down-­select the best performing set for subsequent infection of RMs. In Aim  #2,  we will  compare the bNAb induction capacity of SHIVs expressing wildtype (WT), glycan-­optimized (GLY-­ OPT), and glycan and germline-­optimized (GLY/UCA-­OPT) versions of the same Env in RMs and determine the  envelope-­antibody (Env-­Ab) coevolution pathways in all animals that develop neutralization breadth. In Aim #3,  we  will  rationally  design  new  V2  apex  directed  immunogens  using  Env-­Ab  co-­evolution  data  and  the  V2-­SET  strategy  as  a  guide,  and  deliver  them  using  nucleoside-­modified  mRNA  containing  lipid  nanoparticles  (mRNA/LNPs) that express  stabilized,  membrane  bound  gp160s.  We  will  prime  RMs  with  the  best performing  Env from Aim #2, and then compare the bNAb induction capacity of this Env with that of two boosting regimens  specifically  designed  to  increase  relevant  epitope  diversity.  Immunized  RMs  will  receive  a  low-­dose  repetitive  rectal SHIV challenge to assess their level of protection as recently described (4) and to study their breakthrough  infections. By simultaneously applying multiple vaccine improvement strategies, we expect to improve V2 apex  bNAb induction in RMs and translate these findings into more effective vaccines for humans.

项目总结： 艾滋病毒/艾滋病疫苗和研究项目的一个核心目标是广泛应用中和抗体(BNAbs)。 我们将建议利用我们两个小组最近的三项新发现来生成一种新型的包膜蛋白(Env)和免疫原。 这可能是三聚体顶端的V1V2糖蛋白区域的目标。通过进一步研究人类免疫缺陷病毒-1和环境糖蛋白的进化过程，我们可以。 研究人员发现，创始人(Tf)基因中的未屏蔽区域(“葡聚糖空洞”)与病毒呈负相关。 随着bNAb的发展，他们建议将特定菌株的葡聚糖打洞，以推迟或颠覆bNAb的发展进程(1)。 生成bNAb和签名的敏感度有助于设计一种新颖的基于签名的表位和靶向疫苗。 研究发现，V2组免疫原在豚鼠体内诱导了更广泛的反应，并产生了更有效的2级异种抗体。 野生型疫苗，这表明包括BNAb基因签名的人显著改善了疫苗的性能(2)。 研究了约100只恒河猴(RMS)(3)中的20种新奇动物，我们发现约15%的动物发育不同。 在未来6-24个月内，异源基因的广度增加了6-24个月，其中最常见的BbNAb基因特异性是以V2基因为目标的。 (表1)。然而，在希沃克病毒感染中诱导使用bNAb的情况仍然很少见，因此提供了一种独特的实验方法。 为了以一种更好的方式测试迭代的环境试验设计和改进，它比人类试验更快，成本更低。 我们的假设是：(I)通过(I)最大限度地减少令人分心的多聚糖对表位的破坏，(Ii)增加环境对V2的亲和力。 BNab是前体，(Iii)增加疫苗中相关表位的多样性，加强免疫，(Iv)纳入B细胞系。 免疫基因设计，我们将继续改进V2和bNAb的种系接合能力，并改善bNAb的谱系和成熟。 选择CRF.AG.T250(T250)和CAP256SU(CAP256)作为免疫原的基线，因为两者都是。 我们已经在Shiv感染的RMS病毒中产生了V2和顶端的bNAbs(表1)。为了达到第一个目标，我们将不会优化其环境多糖。 Shield和V2的种系瞄准了T250和CAP256的特性，将测试他们的潜在目标和潜在目标的复制能力。 在新城疫病毒载体中发现抗原性，并向下选择表现最好的病毒，为随后的新城疫病毒感染设定目标。 #2，我们将不会比较表达野生型基因(WT)和葡聚糖优化基因(GLY-OPTIMIZED)的基因对bNAb诱导能力的影响 OPT)、GLY/UCA-OPT(GLY/UCA-OPT)和种系优化基因(GLY/UCA--OPT)的不同版本。 包膜抗体(Env-Ab)是一种共同进化的途径，在所有可能发展为中和广度的动物体内都存在。目标是#3，。 我们将使用EEnv-Ab和共同进化的数据来合理设计新的V2和顶尖的免疫原，并建立新的V2集。 战略以此为指导，通过使用含有脂类和纳米颗粒的核苷修饰的DNA信使核糖核酸来为它们提供服务。 (mRNA/LNPs)表示表达稳定，膜结合到gp160。我们将选择表现最好的RMS。 Env从Aim 2开始，然后将这次Env的bNAb诱导和能力比率与两种促进治疗方案的结果进行比较。 专门为增加相关表位和多样性而设计的药物。免疫的RMS基因将获得更低剂量的重复性。 正如最近有人描述的那样，直肠疾病患者将面临挑战，以评估他们的自然保护措施的最高水平，并将继续研究他们的最新突破。 感染。通过同时应用多种疫苗和改善策略，我们可以期待我们能够进一步改善V2病毒。 BNab在RMS中进行了诱导，并将这些发现转化为对人类更有效的新型疫苗。