Engineered enveloped VLPs with high-density antigen coating. Application to Feline leukemia virus

Abstract

Els retrovirus són agents infecciosos que han estat identificats en diverses espècies, causant malalties de gran importància. Un exemple destacat és el Virus de la immunodeficiència humana (VIH-1), que és l’agent causant de la síndrome d’immunodeficiència adquirida (SIDA). Malauradament i malgrat els esforços dels darrers 40 anys, encara no s’ha aconseguit desenvolupar amb èxit una vacuna protectora contra el VIH-1.

Els retrovirus no afecten únicament als humans, sinó que poden infectar també un ampli ventall d’animals. Els gats, per exemple, poden ser infectats amb diversos retrovirus, sent el Virus de la leucèmia felina (VLFe) un dels patògens més comuns. Similar al que ocorre amb VIH-1, 60 anys després del descobriment del VLFe, no existeixen encara vacunes comercials que ofereixin una protecció completa contra la infecció.

Així, els retrovirus poden afectar dramàticament la vida humana i animal i, en aquest sentit, les vacunes tenen el potencial de salvar milions de vides i canviar la història. La recent recerca mèdica ha dedicat grans esforços a la millora de les vacunes existents i el disseny de noves estratègies. En aquest treball ens centrem especialment en les partícules similivíriques (VLPs, per les sigles en anglès de Virus-Like Particles), un tipus de vacuna que simula l’estructura del virus però que no conté el seu material genòmic, convertint-se d’aquesta manera en no infecciós. Recentment, el nostre grup ha desenvolupat una generació de VLPs basades en la proteïna estructural de VIH-1, Gag. Aquestes VLPs mostren una gran densitat d’immunogen en la seva superfície, cosa indueix una resposta immune potent i funcional, fins i tot en absència d’adjuvant i amb una dosi baixa d’immunogen administrada.

L’objectiu d’aquest treball és analitzar la versatilitat de la nostra plataforma de VLPs basada en VIH-1 i la possibilitat d’aplicar-se a d’altres retrovirus. En particular, aquesta tesi es centra en el VLFe. En primer lloc, vam produir i optimitzar les VLPs basades en el VLFe. Després, vam afegir a la superfície de les VLPs diversos antígens derivats de la glicoproteïna de l’envolta. I finalment, vam estudiar la immunogenicitat en dos models murins, vam analitzar diversos sistemes d’administració (immunització amb VLPs purificades o amb àcids nucleics) i vam observar l’impacte dels adjuvants en la resposta immunològica.

En conclusió, aquesta tesi no només confirma la versatilitat de la nostra plataforma de VLPs basades en Gag de VIH-1, sinó que presenta les VLPs basades en retrovirus com una excel·lent alternativa a altres formulacions més convencionals. A més, posa el focus en la vacuna del VLFe, considerant-la d’interès no estrictament veterinari, sinó entenent-la com un model rellevant per ajudar a comprendre la immunologia del VIH-1.

Los retrovirus son agentes infecciosos que han sido identificados en diferentes especies, causando enfermedades de gran importancia. Un ejemplo destacado es el Virus de la inmunodeficiencia humana (VIH-1), el cual es el agente causante del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Desafortunadamente, y a pesar de los esfuerzos durante los últimos 40 años, aún no se ha tenido éxito en el desarrollo de una vacuna protectora contra el VIH-1.

Los retrovirus no infectan solamente a humanos, sino que infectan un amplio rango de animales. Los gatos, por ejemplo, pueden ser infectados con distintos retrovirus, siendo el Virus de la leucemia felina (VLFe) uno de los patógenos más comunes. Parecido a lo que ocurre con HIV-1, cerca de 60 años después del descubrimiento del VLFe, no existen todavía vacunas comerciales que ofrezcan una protección completa frente a la infección.

Así, los retrovirus pueden tener un impacto dramático en la vida humana y animal y, en este sentido, las vacunas tienen el potencial de salvar millones de vidas y cambiar la historia. La investigación médica reciente ha dedicado grandes esfuerzos a la mejora de las vacunas existentes y el diseño de nuevas estrategias. En este trabajo nos centramos especialmente en las partículas similares a virus (VLPs, por las siglas en ingles de Virus-Like Particles), un tipo de vacuna que simula la estructura del virus, desprovisto sin embargo del genoma viral, siendo de esta forma no infeccioso. Recientemente, nuestro grupo de investigación ha desarrollado una plataforma de VLPs basadas en la proteína estructural del VIH-1, Gag. Estas VLPs muestran una gran densidad de inmunógeno en su superficie, que induce una respuesta inmune potente y funcional, incluso en ausencia de adyuvante y con una dosis baja de inmunógeno administrada.

El objetivo de este trabajo es analizar la versatilidad de nuestra plataforma de VLPs basada en VIH-1 y la posibilidad de que ésta pudiera ser aplicada a otros retrovirus. En particular, esta tesis se centra en el VLFe. En primer lugar, producimos y optimizamos las VLPs basadas en el VLFe. Después, añadimos en la superficie de las VLPs distintos antígenos derivados de la glicoproteína de envuelta del mismo virus. Y finalmente, estudiamos la inmunogenicidad en dos modelos murinos, analizamos distintos sistemas de administración (inmunización con VLPs purificadas o con ácidos nucleicos) y observamos el impacto de adyuvantes en la respuesta inmunológica.

En conclusión, esta tesis no solo confirma la versatilidad de nuestra plataforma de VLPs basadas en Gag de VIH-1, sino que presenta las VLPs basadas en retrovirus como una excelente alternativa a otras vacunas más convencionales. Además, intenta arrojar algo de luz en la investigación sobre la vacuna del VLFe, considerándola no solo de interés veterinario, sino entendiéndola como un modelo relevante para ayudar a comprender la inmunología del VIH-1.

Retroviruses are infectious agents that have been identified in many species, causing diseases of major importance. Such is the case of the Human immunodeficiency virus (HIV-1), which is the causative agent of the acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). Unfortunately, despite large efforts, the development of a protective vaccine against HIV has proven elusive for more than 40 years.

Not only humans are the target of this family of viruses, but a wide range of animals can also be infected by them. For instance, cats are infected with different retroviruses, one of the most common pathogens being the Feline leukemia virus (FeLV). Near 60 years after the discovery of FeLV, none of the available commercial vaccines provide full protection from infection.

Therefore, retroviruses can dramatically impact human and animal health, but vaccines have the potential to save millions of lives and change history. Efforts to improve current vaccines and design new strategies are one hot topic in medical research. This work particularly focuses on Virus-like particles (VLPs), a vaccine platform which mimics the structure of a virus, lacking the viral genome and thus, being non-infectious. Recently, our group developed a modified VLP platform based on the HIV structural protein Gag. These VLPs show a high density of immunogen on their surface and induce a potent and functional immune response in mice even in absence of adjuvants and at a low VLP dose.

The objective of the present work is to analyze the versatility of our HIV-based VLP platform and its adaptability to another retrovirus. Specifically, this thesis focuses on FeLV. First, we produced and optimized FeLV-Gag based VLPs. Then, we loaded on the surface of FeLV-based VLPs different antigens derived from the viral Envelope glycoprotein. Finally, immunogenicity was tested in two different murine animal models, in which we analyzed different delivery systems (purified VLPs or nucleic acid) and studied the impact of adjuvants in the purified VLPs delivery system.

Altogether, this thesis not only confirms the versatility of the HIV-1 Gag-based VLP vaccine platform but also presents retroviral VLPs as an excellent alternative to more conventional vaccines. Moreover, this work sheds light on FeLV vaccine research, considering that FeLV is not only of interest to veterinary practice but also could be a relevant model to help understand HIV-1 immunology.