Epitope identification for subunit vaccine design: application to prophylactic vaccines against SARS-CoV-2 and therapeutic vaccines against cancer

Abstract

La vacunación es una estrategia clínica que tiene como objetivo la inducción de respuestas inmunitarias frente a un agente extraño (patógenos infecciosos o células tumorales). Según el fin con el que se administran, las vacunas pueden ser profilácticas o terapéuticas. Ambas tienen en común la inclusión en su formulación de antígenos que otorgan especificidad a la vacuna. Las regiones que el sistema inmune reconoce del antígeno son los denominados epítopos, y en algunas ocasiones es necesaria la identificación de estos para su inclusión en vacunas. Un ejemplo en enfermedades infecciosas es que algunos epítopos pueden inducir anticuerpos que faciliten la infección, por lo que no deberían ser incluidos. En cáncer, donde las respuestas celulares juegan un papel relevante, se trata de distinguir entre epítopos específicos de la célula tumoral. El objetivo general de esta tesis es identificar epítopos para el diseño de vacunas basadas en subunidades y su aplicación en la prevención de una enfermedad infecciosa relevante en el tratamiento del cáncer. La primera parte se ha enfocado en el desarrollo de una vacuna profiláctica frente a la infección por el virus SARS-CoV-2 en la versión inicial como para la variante ómicron. Primero se realizó un mapeo de la región de unión al receptor (RBD). Para ello inmunizamos ratones con un panel de péptidos solapantes que cubrían la RBD, consiguiendo identificar la región 446-480 en el que los péptidos eran capaces de inducir respuestas frente a sí mismos y frente a las proteínas RBD y S1. Gracias a esto, diseñamos un péptido que cubriese toda la secuencia, e indujo altos títulos de anticuerpos que neutralizaban la infección por SARS-CoV-2 in vitro. Del mismo modo, se identificaron varios epítopos T CD4 y CD8 en la secuencia 446-480. A partir de datos estructurales de la proteína S1 se diseñó el péptido ciclado 446-488cc que contenía un loop contiguo que podría simular mejor la conformación natural de esta región en la proteína. La inmunización con los péptidos 446-480 o 446-488cc en ratones susceptibles a la infección demostró una protección cercana al 80%. Además de la variante original de SARS-CoV-2, los anticuerpos inducidos por estas vacunas reconocían a las nuevas variantes surgidas posteriormente. No obstante, una vacuna consistente en la versión ómicron del péptido 446-488cc indujo altos títulos de anticuerpos específicos de la proteína RBD Omicron y que neutralizaban la infección de SARS-CoV-2 Omicron in vitro. La segunda parte de la tesis se centra en la identificación de neoantígenos (neoAgs) para el desarrollo de vacunas basadas en este tipo de epítopos en dos tipos de tumores con carga mutacional intermedia, cáncer de mama triple negativo y carcinoma hepatocelular. Mediante secuenciación de exomas y RNAseq de muestras de tumor se identificaron las mutaciones puntuales en ambas cohortes. Combinando estos datos con el tipaje HLA y mediante algoritmos de predicción de unión a HLA se obtuvo una lista de potenciales neoAgs para cada paciente. Para aquellos pacientes HLA-A*02:01+ o HLA-DRB*01+ se validó la inmunogenicidad de los neoAgs mediante ensayos in vitro e in vivo, demostrando que estos pacientes poseían una carga de neoAgs suficientes como para la preparación de vacunas. El estudio de varios formatos demostró que una vacuna basada en péptidos largos indujo respuestas más potentes y amplias que una basada en un plásmido de DNA. Finalmente, para demostrar la relevancia de los neoAgs en la respuesta a la inmunoterapia se analizaron los datos de una cohorte de 30 pacientes con carcinoma hepatocelular que habían sido tratados con radioembolización y con nivolumab. Los estudios de la carga mutacional y de neoAgs demostraron que mientras la carga mutacional no guardaba relación con la respuesta al tratamiento, una mayor carga de neoantígenos de clase II se asociaba con mayor beneficio clínico, progresión más lenta de la enfermedad y mayor supervivencia global.