Development of mammalian cell-display and panning techniques for the selection of HIV-1 vaccine candidates

Bruun, Tim-Henrik Jens Gerhard Herbert

Die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs gegen das humane Immundefizienz-Virus (HIV-1) gilt bis heute als ein ungelöstes Problem. Bei fast allen zugelassenen Impfstoffen beruht die Wirksamkeit auf der Bildung von Pathogen-neutralisierenden Antikörpern. Als zwingende Eigenschaft für ein erfolgreiches HIV-1-Vakzin gilt daher, dass es eine Antikörper-Immunantwort gegen essentielle Bestandteile des HI-Virus auslöst und ein breites Wirkspektrum aufweist. Einige sogenannte breit neutralisierende Antikörper (bNAb) sind bereits länger bekannt und wurden ausgiebig charakterisiert. In jüngster Zeit wurden in steigendem Maße weitere vielversprechende bNAbs isoliert und Ihre Eigenschaften sind derzeitig Bestandteil vieler Forschungsbemühungen. Eine Vielzahl von Versuchen, Antikörper mit ähnlichen Eigenschaften durch Impfungen zu induzieren, blieb jedoch bisher erfolglos (Reverse Vakzinologie). In der vorliegenden Arbeit wurde eine Selektionsmethode entwickelt, bei der Varianten trimerer Env-Proteine auf der Oberfläche von Säugetierzellen präsentiert werden. Die unterschiedlichen Bindungsstärken der verwendeten Env-Varianten zu einem gegebenen bNAb sollten es hierbei ermöglichen, auf Env-Varianten mit der höchsten Affinität zu selektionieren. Dies mündete in einer sogenannten lenti-zellulären Expressions- und FACS-basierten Anreicherungsmethode (Panning). Die entwickelte Methode wurde mit einer Modell-Bibliothek aus Env-Varianten mit bekannten Affinitäten zu bNAb 447-52D evaluiert. In dieser Studie konnte die Anreicherung der Env-Variante mit der höchsten Affinität zum verwendeten 447-52D Antikörper gezeigt werden (bis zu 10-fache Anreicherung). Nach weiterer Optimierung sollen zukünftig Env-Bibliotheken mit höherer Variabilität eingesetzt werden, um Env-Varianten zu selektionieren, die in präklinischen und klinischen Studien auf ihr Potential zur bNAb-Induktion untersucht werden sollen.

An ever-increasing number of broadly neutralizing antibodies (bNAb) against the HIV-1 envelope (Env) have been discovered so far. Unfortunately, most antibody responses against HIV-1 in an acute infection are only strain-specific and quickly bypassed by escape mutations. Vaccination trials designed to re-elicit bNAbs that mediate protective immunity have remained futile (reverse vaccinology). The neutralization activity of the discovered bNAbs has been attributed to their affinity to functional Env trimers, although each cross-reacts with non- trimeric, immature or otherwise non-functional Env molecules. Therefore, a discovery platform was developed in order to select bNAb-bound, native, trimeric envelope variants that are displayed on the surface of mammalian cells. Conclusively, an HIV-1 derived lentiviral vector was developed to infect HEK293T cells by a low multiplicity of infection (MOI), in order to link phenotype and genotype. Hence, infected cells expressed and displayed membrane-associated Env proteins on their surface (lenti-cellular display). Subsequently to staining with an appropriate monoclonal antibody, Env-displaying cells were selected for high affinity binding via FACS sorting (Panning). A small model-library of Env variants with distinct binding capacities against the bNAb 447-52D was generated for evaluation. In a proof-of-concept study, it was demonstrated that the Env variant with the highest affinity to the applied bNAb was enriched in two rounds of selection (up to 10-fold). Hence, the demonstrated technique provides the possibility to screen membrane-bound Env variants for high binding capacities against the bNAb applied. Nevertheless, the presented lenti-cellular display and FACS-mediated panning platform still needs further optimizations. Prospectively, it needs to be challenged by libraries of larger diversity and selected candidates should be evaluated in vaccination trials.

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Bruun, Tim-Henrik Jens Gerhard Herbert: Development of mammalian cell-display and panning techniques for the selection of HIV-1 vaccine candidates. 2012.

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