Uncleaved prefusion-optimized trimers on nanoparticles as HIV vaccines
纳米颗粒上未切割的预融合优化三聚体作为 HIV 疫苗
基本信息
- 批准号:10307527
- 负责人:
- 金额:$ 96.91万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2018
- 资助国家:美国
- 起止时间:2018-12-01 至 2023-11-30
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:Animal ModelAnimalsAntibodiesAntibody titer measurementAntigensArtificial nanoparticlesAutologousB cell repertoireB-LymphocytesBindingBiological AssayClinical ResearchCrystallizationCrystallographyDataDatabasesDevelopmentDiseaseElectron MicroscopyEngineeringEnzyme-Linked Immunosorbent AssayEpitope MappingEpitopesEvaluationFerritinFormulationFutureGenerationsGlycoproteinsGoalsHIV Envelope Protein gp120HIV vaccineHIV-1HumanImmune responseImmunizationImmunoglobulin GIn VitroInbred BALB C MiceKnock-in MouseMethodsMonitorMusMutationN-terminalNegative StainingOryctolagus cuniculusParticulatePrimatesProductionProtocols documentationReportingResearchResolutionSerology testSerumSignal TransductionSourceStructureSubunit VaccinesSurface AntigensT cell responseT-LymphocyteTestingVaccine DesignVaccine ResearchVaccinesVirusVirus-like particlebasedesignglycoprotein structureimmunogenicityimprovedin vivoin vivo evaluationnanoparticlenanoparticulateneutralizing antibodynext generation sequencingnonhuman primateresearch clinical testingresponsescale upvaccine candidatevaccine developmentvaccine platformvaccine strategy
项目摘要
Project Summary
The envelope glycoprotein (Env) of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) harbors the epitopes of broadly
neutralizing antibodies (bNAbs) and is the main target of HIV-1 vaccine development. High-resolution structures
of BG505 SOSIP.664 trimers have provided a rational basis for vaccine design. Although current gp140 designs
can produce native-like trimers for selected strains after optimization, the underlying causes of Env metastability
are still unknown and a general design platform applicable to all HIV-1 strains and subtypes remains an unmet
challenge. Furthermore, despite the increasing appreciation for the advantages of virus-like particles (VLPs) in
bNAb elicitation, nanoparticulate display of native-like trimers has not been rigorously explored in HIV-1 vaccine
development. In this R01, we will develop HIV-1 vaccine candidates by combining trimer design, crystallography,
electron microscopy (EM), nanoparticle display, immunization, serological assays, antibody isolation, repertoire
sequencing, and antibody lineage analysis. In Aim 1, we will investigate the fundamental causes of HIV-1 Env
metastability and develop the uncleaved, prefusion-optimized (UFO) trimer platform. We hypothesize that gp41,
which contains a structurally strained heptad repeat 1 (HR1) with a disordered N-terminal bend (N-HR1), is the
source of metastability. We have designed 1st-generation UFO trimers with a modified N-HR1 and solved their
structures. We will develop an optimized UFO platform applicable to diverse Envs with high purity, yield, and
stability and select representative UFO trimers for vaccine development. We will assess trimer antigenicity using
a panel of bNAbs and non-NAbs and determine their atomic structures. In Aim 2, we will engineer stable gp140
trimer-presenting nanoparticles as vaccine candidates. We hypothesize that self-assembling nanoparticles with
underlying 3-fold axes can be used to display native-like gp140 trimers. We have reported gp140 nanoparticles
based on the 24-mer ferritin (12 nm) and 60-mer E2p (23nm). We will optimize UFO gp140 nanoparticles based
on ferritin, E2p, and a hyperstable 60-mer, I3-01 (25nm) for in vivo testing in Aim 3. We will validate nanoparticle
assembly by EM and evaluate nanoparticle antigenicity using a panel of antibodies. In Aim 3, we will assess the
immunogenicity and B-cell response for a subset of optimized UFO trimers and nanoparticles in WT mice, rabbits,
and nonhuman primates (NHPs). We hypothesize that UFO trimers can induce tier-2 NAbs in all animal models,
while gp140 nanoparticles displaying 8-20 UFO trimers can elicit tier-2 NAbs more effectively than trimers alone.
We will first screen UFO trimers and nanoparticles in WT mice and assess serum neutralization using purified
IgGs. We will select a small set of immunogens for rabbit immunization and advance the most promising ones
to NHPs. In our preliminary study, gp140 nanoparticles induced autologous tier-2 NAbs to BG505.T332N in mice
and rabbits within 6-8 weeks, supporting our approach. We will isolate vaccine-elicited tier-2 NAbs for functional
and structural studies and perform next-generation sequencing (NGS) to study B-cell repertoires and trace NAb
lineage development. Our goal is to identify the most effective vaccine candidates for future clinical studies.
项目概要
人类免疫缺陷病毒 1 型 (HIV-1) 的包膜糖蛋白 (Env) 含有广泛的表位
中和抗体(bNAb)是HIV-1疫苗开发的主要目标。高分辨率结构
BG505 SOSIP.664三聚体的研究为疫苗设计提供了合理的基础。虽然目前的gp140设计
优化后可以为选定菌株产生类似天然的三聚体,这是Env亚稳定性的根本原因
仍然未知,适用于所有 HIV-1 毒株和亚型的通用设计平台仍未满足
挑战。此外,尽管人们越来越认识到病毒样颗粒(VLP)在
bNAb 诱导、类似天然三聚体的纳米颗粒展示尚未在 HIV-1 疫苗中进行严格探索
发展。在这个 R01 中,我们将通过结合三聚体设计、晶体学、
电子显微镜 (EM)、纳米粒子显示、免疫、血清学测定、抗体分离、曲目
测序和抗体谱系分析。在目标 1 中,我们将调查 HIV-1 Env 的根本原因
亚稳定性并开发未切割的预融合优化 (UFO) 三聚体平台。我们假设 gp41,
其中包含结构紧张的七肽重复序列 1 (HR1) 和无序的 N 末端弯曲 (N-HR1),是
亚稳态的来源。我们设计了带有改进的 N-HR1 的第一代 UFO 三聚体,并解决了它们的问题
结构。我们将开发一个适用于各种环境的优化UFO平台,具有高纯度、高产量和高
稳定性并选择有代表性的 UFO 三聚体用于疫苗开发。我们将使用以下方法评估三聚体抗原性
一组 bNAb 和非 NAB 并确定它们的原子结构。在目标 2 中,我们将设计稳定的 gp140
三聚体呈递的纳米颗粒作为候选疫苗。我们假设自组装纳米粒子
底层 3 倍轴可用于显示类似原生的 gp140 三聚体。我们已经报道了 gp140 纳米颗粒
基于 24 聚体铁蛋白 (12 nm) 和 60 聚体 E2p (23 nm)。我们将基于 UFO gp140 纳米颗粒进行优化
铁蛋白、E2p 和超稳定 60 聚体 I3-01 (25nm),用于 Aim 3 中的体内测试。我们将验证纳米颗粒
通过 EM 组装并使用一组抗体评估纳米颗粒的抗原性。在目标 3 中,我们将评估
优化的 UFO 三聚体和纳米粒子子集在 WT 小鼠、兔子、
和非人类灵长类动物(NHP)。我们假设 UFO 三聚体可以在所有动物模型中诱导 2 级 NAb,
而显示 8-20 个 UFO 三聚体的 gp140 纳米颗粒可以比单独的三聚体更有效地引发 2 级 NAb。
我们将首先在 WT 小鼠中筛选 UFO 三聚体和纳米颗粒,并使用纯化的
IgG。我们将选择一小组用于兔子免疫的免疫原,并推进最有希望的免疫原
给 NHP。在我们的初步研究中,gp140 纳米粒子在小鼠中诱导 BG505.T332N 自体 2 级 NAb
和兔子在 6-8 周内,支持我们的方法。我们将分离疫苗引发的 2 级 NAb,以实现功能性
和结构研究并进行下一代测序 (NGS) 以研究 B 细胞库并追踪 NAb
谱系发展。我们的目标是为未来的临床研究确定最有效的候选疫苗。
项目成果
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