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: 10468221
• 负责人: Beatrice H Hahn
• 金额: $ 85.51万
• 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/10468221
• 关键词: AIDS Vaccines; Affinity; Amino Acids; Animal Model; Animals; Antibodies; Antibody Response; Antibody Specificity; Antigens; Autologous; Avidity; B-Cell Antigen Receptor; 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; Regimen; Resistance; Rhesus; Testing; Translating; Vaccinated; Vaccination; Vaccine Design; Vaccine Research; Vaccines; Variant; base; bioinformatics tool; breakthrough infection; complementarity-determining region 3; cost; design; improved; in vivo; lipid nanoparticle; neutralizing antibody; neutralizing monoclonal antibodies; novel; novel vaccines; rational design; rectal; response; simian human immunodeficiency virus; tissue culture; vaccine delivery; vaccine efficacy; vaccine strategy; 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.

项目概要 HIV/AIDS 疫苗研究的一个中心目标是产生广泛中和抗体 (bNAb)。 我们建议利用我们小组最近的三项发现来产生新颖的包膜（Env）免疫原 靶向三聚体顶端的 V1V2 区域 通过研究 HIV-1 Env 聚糖屏蔽的进化，我们 发现传输创始人 (TF) 环境中的未屏蔽区域（“聚糖孔”）呈负相关 与 bNAb 发育相关，表明菌株特异性聚糖孔会延迟或破坏 bNAb 发育 (1)。 生成 bNAb 敏感性特征来设计新型基于特征的表位靶向 (SET) 疫苗，我们 发现 V2-SET 免疫原在豚鼠体内诱导的 2 级异源 NAb 比 野生型 Env，表明包含 bNAb 特征可显着提高疫苗性能 (2)。 研究了约 100 只恒河猴 (RM) 中的 20 种新型 SHIV (3)，我们发现约 15% 的动物出现了不同程度的 SHIV 感染。 异源宽度程度为 6-24 个月，最常见的 bNAb 特异性针对 V2 顶点 （表 1）然而，SHIV 感染中的 bNAb 诱导仍然很少见，因此提供了一个独特的实验。 设置以比人体试验更快、成本更低的方式测试迭代环境设计改进。 我们的假设是，通过 (i) 最大限度地减少分散注意力的聚糖孔表位，(ii) 增加 Env 对 V2 顶点的亲和力 bNAb 前体，(iii) 增加疫苗加强中的相关表位多样性，以及 (iv) 纳入 B 细胞谱系 免疫原设计，我们将改善 V2 bNAb 种系接合和 bNAb 谱系成熟。 选择 CRF.AG.T250 (T250) 和 CAP256SU (CAP256) Envs 作为基线免疫原，因为两者 在 SHIV 感染的 RM 中生成了 V2 apex bNAb（表 1）。在目标 #1 中，我们将优化 Env 聚糖。 T250 和 CAP256 Env 的屏蔽和 V2 种系靶向特性，测试其复制潜力和第 2 层 SHIV 载体的抗原性，并向下选择性能最佳的组以用于随后的 RM 感染。 #2，我们将比较表达野生型 (WT)、聚糖优化 (GLY-) 的 SHIV 的 bNAb 诱导能力 OPT），以及 RM 中相同 Env 的聚糖和种系优化 (GLY/UCA-OPT) 版本，并确定 在目标#3中，所有动物中的包膜抗体（Env-Ab）共同进化途径。 我们将利用Env-Ab协同进化数据和V2-SET合理设计新的V2顶点定向免疫原 策略作为指导，并使用含有脂质纳米颗粒的核苷修饰 mRNA 来传递它们 (mRNA/LNP) 表达稳定的膜结合 gp160，我们将用性能最佳的 RM 进行启动。 来自目标 #2 的 Env，然后将该 Env 的 bNAb 诱导能力与两种增强方案的 bNAb 诱导能力进行比较 专门设计用于增加相关表位多样性的免疫 RM 将接受低剂量重复。 直肠 SHIV 挑战，评估最近描述的保护水平 (4) 并研究其突破 通过同时应用多种疫苗改进策略，我们期望改善 V2 顶点。 RMs 中的 bNAb 诱导并将这些发现转化为更有效的人类疫苗。