Обратная вакцинология
 |
Обратная вакцинология — это усовершенствование вакцинологии , в котором используются методы биоинформатики и обратной фармакологии , впервые разработанные Рино Раппуоли и впервые использованные против менингококка серогруппы B. [1] С тех пор его использовали в нескольких других бактериальных вакцинах. [2] [ нужна полная цитата ]
Вычислительный подход
[ редактировать ]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 включают гены, которые кодируют белки внеклеточной локализации , сигнальные пептиды и В-клеток эпитопы . [3] Эти гены фильтруются по желаемым характеристикам, которые могут стать хорошими мишенями для вакцин, например, по белкам внешней мембраны . Как только кандидаты идентифицированы, их производят синтетическим путем и проверяют на животных моделях инфекции. [4]
История
[ редактировать ]После того, как Крейг Вентер опубликовал геном первого свободноживущего организма в 1995 году, в конце двадцатого века геномы других микроорганизмов стали более доступными. Обратная вакцинология, разработка вакцин с использованием секвенированного генома возбудителя, возникла благодаря этому новому богатству геномной информации, а также технологическим достижениям. Обратная вакцинология гораздо более эффективна, чем традиционная вакцинология, которая требует выращивания большого количества специфических микроорганизмов, а также обширных влажных лабораторных исследований. [ нужна ссылка ]
В 2000 году Рино Раппуоли и Институт Дж. Крейга Вентера разработали первую вакцину с использованием обратной вакцинологии против менингококка серогруппы B. Затем Институт Дж. Крейга Вентера и другие продолжили работу над вакцинами против стрептококка А, стрептококка В, золотистого стафилококка и стрептококка пневмонии. [5]
Обратная вакцинология с менингококком B
[ редактировать ]Попытки обратной вакцинологии впервые начались с менингококка B (MenB). Менингококк B вызывает более 50% случаев менингококкового менингита, и ученым не удалось создать успешную вакцину от этого возбудителя из-за уникальной структуры бактерии. Полисахаридная оболочка этой бактерии идентична оболочке человеческого аутоантигена, но ее поверхностные белки сильно различаются; а отсутствие информации о поверхностных белках сделало разработку вакцины чрезвычайно сложной. В результате Рино Раппуоли и другие ученые обратились к биоинформатике для разработки функциональной вакцины. [5]
Раппуоли и другие сотрудники Института Дж. Крейга Вентера впервые секвенировали геном MenB. Затем они просканировали секвенированный геном на наличие потенциальных антигенов. Они обнаружили более 600 возможных антигенов, которые были проверены на экспрессию в Escherichia coli . В прототипах вакцин использовались наиболее универсально применимые антигены. Некоторые из них оказались успешно функционирующими на мышах, однако сами по себе эти белки не эффективно взаимодействовали с иммунной системой человека из-за того, что не вызывали хороший иммунный ответ для достижения защиты. Позже, путем добавления везикул внешней мембраны, содержащих липополисахариды , из очищенных пузырьков на грамотрицательных культурах. Добавление этого адъюванта (ранее идентифицированного с помощью традиционных подходов вакцинологии) усиливало иммунный ответ до необходимого уровня. Позже было доказано, что вакцина безопасна и эффективна для взрослых людей. [5]
Последующие обратные вакцинологические исследования
[ редактировать ]При разработке вакцины MenB ученые использовали те же методы обратной вакцинологии для других бактериальных патогенов. А Вакцины против стрептококка и стрептококка В были двумя из первых созданных обратных вакцин. 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 побочных реакций, что создает необходимость в обратной вакцинологии на основе генома. [5]
Позже обратная вакцинология была использована для разработки вакцин против устойчивых к антибиотикам Staphylococcus aureus и Streptococcus pneumoniae. [5]
Плюсы и минусы
[ редактировать ]Основным преимуществом обратной вакцинологии является быстрый и эффективный поиск мишеней для вакцины. Традиционным методам могут потребоваться десятилетия, чтобы раскрыть патогены и антигены, болезни и иммунитет. Однако In silico может работать очень быстро, позволяя идентифицировать новые вакцины для тестирования всего за несколько лет. [6] 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 . [ нужна ссылка ]
Доступное программное обеспечение
[ редактировать ]Хотя использование биоинформатических технологий для разработки вакцин стало обычным явлением за последние десять лет, в обычных лабораториях часто нет передового программного обеспечения, которое могло бы это сделать. Однако появляется все больше программ, делающих информацию по обратной вакцинации более доступной. NERVE — относительно новая программа обработки данных. Хотя его необходимо загрузить и он не включает в себя все предсказания эпитопов, он помогает сэкономить некоторое время за счет объединения вычислительных этапов обратной вакцинологии в одной программе. Vaxign, еще более комплексная программа, была создана в 2008 году. Vaxign работает через Интернет и полностью общедоступен. [7]
Хотя Vaxign оказался чрезвычайно точным и эффективным, некоторые ученые до сих пор используют онлайн-программу RANKPEP для прогнозирования пептидных связей. И Vaxign, и RANKPEP используют PSSM (матрицы оценки позиции) при анализе белковых последовательностей или выравнивании последовательностей. [8]
Проекты компьютерной биоинформатики становятся чрезвычайно популярными, поскольку они помогают проводить лабораторные эксперименты. [9]
Другие разработки в области обратной вакцинологии и биоинформатики
[ редактировать ]- Обратная вакцинология вызвала повышенное внимание к патогенной биологии. [5]
- Обратная вакцинология привела к открытию пилей у грамположительных патогенов, таких как стрептококк А, стрептококк В и пневмококк. Раньше считалось, что все грамположительные бактерии не имеют пилей. [5]
- 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 при этом 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 менингококка между разными видами. [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пицца, М. ; Раппуоли, Р.; Скарлато, В.; Масиньяни, В.; Джулиани, М.; Арико, Б. (10 марта 2000 г.). «Идентификация вакцин-кандидатов против менингококка серогруппы B путем полногеномного секвенирования» . Наука . 287 (5459): 1816–1820. Бибкод : 2000Sci...287.1816. . дои : 10.1126/science.287.5459.1816 . ПМИД 10710308 .
- ^ Раппуоли, Рино. Текущее мнение по обратной вакцинологии в микробиологии , 2000, 3:445–450.
- ^ CH Woelk и др. «Улучшение обратной вакцинологии с помощью машинного обучения». Вакцина 29, нет. 45 (без): 8156-8164. Индекс научного цитирования, EBSCOhost (по состоянию на 30 сентября 2012 г.).
- ^ Михалик, Марцин; Джаханшири, Бардия; Лео, Джек С.; Линке, Дирк (2016), Томас, Сунил (редактор), «Обратная вакцинология: путь от прогнозирования геномов и эпитопов к адаптированным рекомбинантным вакцинам» , Разработка вакцин: методы и протоколы: Том 1: Вакцины от болезней человека , том. 1403, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer Publishing ; Humana Press , стр. 87–106, doi : 10.1007/978-1-4939-3387-7_4 , ISBN. 978-1-4939-3387-7 , PMID 27076126
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Алессандро С., Рино Р. Обзор: Обратная вакцинология: разработка вакцин в эпоху геномики. Иммунитет [сериал онлайн]. без даты;33:530-541. Доступно по адресу: ScienceDirect , Ипсвич, Массачусетс. По состоянию на 30 сентября 2012 г.
- ^ Раппуоли, Р. и А. Адерем. 2011. Видение вакцин против ВИЧ, туберкулеза и малярии на 2020 год. Природа 473: 463.
- ^ Хэ Ю, Сян З, Мобли Х. Ваксин: первая онлайн-программа разработки вакцин для обратной вакцинологии и применения для разработки вакцин. Журнал биомедицины и биотехнологии [сериал онлайн]. 2010;Доступно: CINAHL Plus с полным текстом, Ипсвич, Массачусетс. По состоянию на 30 сентября 2012 г.
- ^ Reche PA, Glutting JP и Reinherz EL. Прогнозирование связывания пептидов MHC класса I с использованием мотивов профиля. Иммунология человека 63, 701-709 (2002).
- ^ Сандро В., Дженнифер Л.Г., Франческо Ф. и др. Обзор: Компьютерная биотехнология: от иммуноинформатики к обратной вакцинологии. Тенденции в биотехнологии [сериал онлайн]. без даты;26:190-200. Доступно по адресу: ScienceDirect, Ипсвич, Массачусетс. По состоянию на 30 сентября 2012 г.