New approaches in the development of a platform for the selection of immunogenic antigens from Mycobacterium tuberculosis

Abstract

Resumo: A tuberculose (TB) continua sendo uma das principais doenças infecciosas no mundo, com 1,6 milhão de mortes estimadas em 2021. Como profilaxia, a única vacina licenciada e disponível é a BCG com alta cobertura e eficácia, evitando casos graves em crianças, porém apresentando alta variabilidade de proteção em adultos. Esses são acometidos principalmente pela forma pulmonar transmitida facilmente por meio de gotículas contendo o microrganismo. Estudos de novos antígenos e plataformas de vacinas têm sido investigadas em todo o mundo visando o combate à tuberculose humana. Esta pesquisa teve como objetivo investigar novos antígenos peptídicos para auxiliar no desenvolvimento de vacinas contra a tuberculose. Neste projeto foram identificados 14 peptídeos com potencial imunogênico através de duas abordagens de análises in silico focadas em epítopos para linfócitos T visando em reposta imunológica celular. Todos esses representando antígenos específicos de M. tuberculosis, ausentes na cepa da vacina BCG e propostos usando duas novas abordagens in silico cobrindo a apresentação de antígenos por MHC classe I e II em uma ampla população. Posteriormente, foi realizada a síntese química dos peptídeos com modificações na sequência e esses são solúveis em soluções aquosas. Os peptídeos foram investigados em imunoensaios sorológicos e formulados para avaliar suas respostas imunológicas inata in vitro e celular em experimentos in vivo. Em testes sorológicos, todos os 14 peptídeos apresentaram maiores resultados de interação com amostras sorológicas positivas de tuberculose do que com amostras negativas em ensaios ELISA. Quatro peptídeos (P.Mt.215771.23, P.Mt.Ag85B, P.Mt.EsxJ, e P.Mt.AlphaCristallin) foram destacados como promissores para aplicações em imunoensaios sorológicos. Formulações de lipossomas não tóxicas contendo o adjuvante MPLA e os peptídeos encapsulados foram capazes de induzir a ativação de macrófagos e desencadear uma resposta imune inata pró-inflamatória in vitro. As formulações contendo os peptídeos foram avaliadas in vivo no teste de hipersensibilidade tardia em porquinho-da-índia (Cavia porcellus). Todas as formulações de peptídeos foram capazes de provocar resposta imune celular in vivo. Duas formulações foram destacadas como promissoras para a aplicação do teste cutâneo DTH. Foi proposta a sequência de uma proteína quimérica composta por todas as 14 sequências peptídicas selecionadas inseridas em regiões não antigênicas de uma conhecida proteína imunogênica capaz de ser expressa em diferentes plataformas vacinais. Futuros estudos in vivo poderão validar as formulações de pool de peptídeos e o antígeno proteico quimérico aplicado a diferentes plataformas de vacinas.

Abstract: Tuberculosis (TB) remains one of the major infectious diseases worldwide, with an estimated 1.6 million deaths in 2021. As prophylaxis, the only licensed and available vaccine is BCG with high coverage and efficacy, preventing severe cases in children but showing high variability of protection in adults. They are mainly affected by the pulmonary form transmitted easily through droplets containing the microorganism. Studies on new antigens and vaccine platforms have been investigated worldwide to combat human tuberculosis. This research aimed to investigate new peptide antigens to assist in the development of vaccines against tuberculosis. In this project, 14 peptides with immunogenic potential were identified using two in silico analysis approaches focused on T-cell epitopes to target cellular immune response. All of these represent specific M. tuberculosis antigens, absent in the BCG vaccine strain, and proposed using two new in silico approaches covering antigen presentation by MHC class I and II in a broad population. Subsequently, chemical synthesis of the peptides with modifications in the sequence was performed, and they are soluble in aqueous solutions. The peptides were investigated in serological immunoassays and formulated to evaluate their innate in vitro and cellular immune responses in vivo. In serological tests, all 14 peptides showed higher interaction results with positive tuberculosis serological samples than negative samples in ELISA assays. Four peptides (P.Mt.215771.23, P.Mt.Ag85B, P.Mt.EsxJ, and P.Mt.AlphaCristallin) were highlighted as promising for applications in serological immunoassays. Non-toxic liposome formulations containing the MPLA adjuvant and encapsulated peptides were able to induce macrophage activation and trigger an in vitro pro-inflammatory innate immune response. Formulations containing the peptides were evaluated in vivo in the delayed hypersensitivity test in guinea pigs (Cavia porcellus). All peptide formulations were able to elicit an in vivo cellular immune response. Two formulations were highlighted as promising for the application of the DTH skin test. The sequence of a chimeric protein composed of all 14 selected peptide sequences inserted into non-antigenic regions of a known immunogenic protein capable of being expressed in different vaccine platforms was proposed. Future in vivo studies may validate peptide pool formulations and the chimeric protein antigen applied to different vaccine platforms.