Обратная вакцинология - Reverse vaccinology

Схема обратной вакцинологии

Обратный вакцинология является усовершенствованием вакцинологии , который использует биоинформатику, впервые Рино Раппуол и впервые использован против серогруппы B менингококка . С тех пор он использовался в нескольких других бактериальных вакцинах.

Вычислительный подход

Основная идея обратной вакцинологии заключается в том, что весь патогенный геном можно проверить с помощью биоинформатических подходов для поиска генов. Некоторые признаки, по которым отслеживаются гены, могут указывать на антигенность и включать гены, которые кодируют белки с внеклеточной локализацией , сигнальные пептиды и эпитопы В-клеток . Затем эти гены фильтруются на предмет желаемых атрибутов, которые могут стать хорошими мишенями для вакцины, таких как белки внешней мембраны . Как только кандидаты идентифицированы, они производятся синтетическим путем и проверяются на животных моделях инфекции.

История

После того, как Крейг Вентер опубликовал геном первого свободноживущего организма в 1995 году, геномы других микроорганизмов стали более доступными в конце двадцатого века. Обратная вакцинология, разработка вакцин с использованием секвенированного генома патогена, возникла на основе этого нового богатства геномной информации, а также технологических достижений. Обратная вакцинология намного эффективнее традиционной вакцинологии, которая требует выращивания большого количества определенных микроорганизмов, а также обширных влажных лабораторных тестов.

В 2000 году Рино Раппуоли и Институт Дж. Крейга Вентера разработали первую вакцину с использованием обратной вакцинологии против менингококка серогруппы B. Институт Дж. Крейга Вентера и другие затем продолжили работу над вакцинами против Streptococcus A, Streptococcus B, Staphylococcus aureus и Streptococcus pneumoniae.

Обратная вакцинология с менингококком B

Попытки обратной вакцинологии впервые начались с Meningococcus B (MenB). Менингококк B вызывает более 50% случаев менингококкового менингита, и ученые не смогли создать успешную вакцину против этого патогена из-за уникальной структуры бактерии. Полисахаридная оболочка этой бактерии идентична таковой у аутоантигена человека, но ее поверхностные белки сильно различаются; а из-за отсутствия информации о поверхностных белках разработка вакцины была чрезвычайно сложной. В результате Рино Раппуоли и другие ученые обратились к биоинформатике для разработки функциональной вакцины.

Раппуоли и другие из Института Дж. Крейга Вентера впервые секвенировали геном MenB. Затем они просканировали секвенированный геном на предмет потенциальных антигенов. Они обнаружили более 600 возможных антигенов, которые были протестированы по экспрессии в Escherichia coli . В прототипах вакцин использовались наиболее универсально применимые антигены. Некоторые из них успешно функционируют на мышах, однако эти белки сами по себе не взаимодействуют эффективно с иммунной системой человека из-за того, что не вызывают хорошего иммунного ответа, необходимого для достижения защиты. Позже путем добавления пузырьков внешней мембраны, содержащих липополисахариды, после очистки пузырьков на грамотрицательных культурах. Добавление этого адъюванта (ранее идентифицированного с использованием обычных подходов вакцинологии) усиливало иммунный ответ до необходимого уровня. Позже было доказано, что вакцина безопасна и эффективна для взрослых людей.

Последующее обратное вакцинологическое исследование

Во время разработки вакцины MenB ученые использовали те же методы обратной вакцинологии для других бактериальных патогенов. Streptococcus и В Streptococcus вакцина была два из первых обратных вакцин создана. Поскольку эти бактериальные штаммы индуцируют антитела, которые реагируют с человеческими антигенами, вакцины для этих бактерий не должны содержать гомологий с белками, закодированными в геноме человека, чтобы не вызывать побочные реакции, что указывает на необходимость в геномной обратной вакцинологии.

Позже обратная вакцинология была использована для разработки вакцин против устойчивых к антибиотикам Staphylococcus aureus и Streptococcus pneumoniae.

Плюсы и минусы

Основным преимуществом обратной вакцинологии является быстрый и эффективный поиск мишеней для вакцины. Традиционным методам могут потребоваться десятилетия, чтобы выявить патогены и антигены, болезни и иммунитет. Однако In silico может работать очень быстро, позволяя определять новые вакцины для тестирования всего за несколько лет. Обратной стороной является то, что с помощью этого процесса можно воздействовать только на белки. Принимая во внимание, что традиционные подходы вакцинологии могут найти другие биомолекулярные мишени, такие как полисахариды .

Доступное программное обеспечение

Хотя использование биоинформатических технологий для разработки вакцин стало обычным явлением в последние десять лет, в обычных лабораториях часто нет передового программного обеспечения, которое могло бы это сделать. Однако растет число программ, делающих более доступной информацию по обратной вакцинологии. NERVE - одна из относительно новых программ обработки данных. Хотя он должен быть загружен и не включает все предсказания эпитопов, он помогает сэкономить время за счет объединения вычислительных шагов обратной вакцинологии в одну программу. Vaxign, еще более комплексная программа, была создана в 2008 году. Vaxign является веб-версией и полностью общедоступен.

Хотя Vaxign оказался чрезвычайно точным и эффективным, некоторые ученые все еще используют онлайн-программное обеспечение RANKPEP для прогнозов пептидных связей. И Vaxign, и RANKPEP используют PSSM (оценочные матрицы, специфичные для позиции) при анализе последовательностей белков или выравниваний последовательностей.

Проекты в области компьютерной биоинформатики становятся чрезвычайно популярными, поскольку они помогают направлять лабораторные эксперименты.

Другие разработки из-за обратной вакцинологии и биоинформатики

  • Обратная вакцинология вызвала повышенное внимание к патогенной биологии.
  • Обратная вакцинология привела к обнаружению пилей у грамположительных патогенов, таких как стрептококк A, стрептококк B и пневмококк. Раньше считалось, что у всех грамположительных бактерий нет пилей.
  • Обратная вакцинология также привела к открытию белка, связывающего фактор G, в менингококке, который связывается с фактором комплемента H у людей. Связывание с фактором комплемента H позволяет менингококку расти в крови человека, блокируя альтернативные пути. Эта модель не подходит для многих видов животных, которые не имеют того же фактора комплемента H, что и люди, что указывает на дифференциацию менингококков между разными видами.

использованная литература

  1. ^ Пицца и др. Идентификация вакцин-кандидатов против менингококка серогруппы B наукой о секвенировании всего генома 2000 287: 1816-1820
  2. ^ Раппуоли, Рино. Современное мнение обратной вакцинологии в микробиологии, 2000 г., 3: 445–450
  3. ^ CH Woelk, et al. «Улучшение обратной вакцинологии с помощью подхода машинного обучения». Вакцина 29, вып. 45 (nd): 8156-8164. Индекс научного цитирования, EBSCOhost (по состоянию на 30 сентября 2012 г.).
  4. ^ Михалик, М., Djahanshiri, Б., Лео, JC, & Линк, D. (2016). Обратная вакцинология: путь от предсказаний геномов и эпитопов к адаптированным рекомбинантным вакцинам. Методы молекулярной биологии , 1403, 87–106. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-3387-7_4
  5. ^ a b c d e f g h Алессандро С., Рино Р. Обзор: Обратная вакцинология: разработка вакцин в эпоху геномики. Иммунитет [сериал онлайн]. nd; 33: 530-541. Доступно по адресу: ScienceDirect , Ипсвич, Массачусетс. По состоянию на 30 сентября 2012 г.
  6. ^ Rappuoli, Р. и А. Aderem. 2011. Видение вакцины против ВИЧ, туберкулеза и малярии на 2020 год. Природа 473: 463.
  7. ^ He Y, Xiang Z, Mobley H. Vaxign: первая веб-программа разработки вакцины для обратной вакцинологии и приложений для разработки вакцины. Журнал биомедицины и биотехнологии [серия в Интернете]. 2010; Доступно по адресу: CINAHL Plus с полным текстом, Ипсвич, Массачусетс. По состоянию на 30 сентября 2012 г.
  8. ^ Reche PA, Glutting JP и Reinherz EL. Прогнозирование пептидов, связывающих MHC класса I, с использованием профильных мотивов. Human Immunology 63, 701-709 (2002).
  9. ^ Сандро V, Дженнифер Л. Г., Франческо Ф. и др. Обзор: Компьютерная биотехнология: от иммуноинформатики к обратной вакцинологии. Тенденции в биотехнологии [сериал онлайн]. д; 26: 190-200. Доступно по адресу: ScienceDirect, Ипсвич, Массачусетс. По состоянию на 30 сентября 2012 г.