Assessing the Immunogenicity of GTU®-based HIV-1 Multigene DNA Vaccines in Murine Models

Abstract

Väitöskirjatyössä arvioitiin alun perin Tampereen yliopistossa ja myöhemmin FIT Biotech Oy:ssä kehitetyn HIV-1 rokotteen tehoa ja kykyä synnyttää HIV-spesifinen suojaava immuunivaste hiirimalleissa. Terapeuttisen HIV-1 rokotteen tarkoituksena on herättää immuunipuolustus tuhoamaan elimistön HI-viruksen infektoimia soluja. Rokotteen osoitettiin tehokkaasti aktivoivan antigeenispesifisiä tappajasoluja ja herättävän suojaavan immuunivasteen kokeellisissa hiirimalleissa.

Kehitetty geneettinen rokote, GTU®-MultiHIV, muodostaa multiantigeenin eli yhdistelmäproteiinin, joka koostuu HIV-1 Rev, Nef, Tat ja Gag p17/p24 -proteiineista ja T-solujen epitooppialueista. MultiHIV-proteiini tuotetaan elimistössä GTU® -vektorista, jonka on osoitettu muodostavan antigeeniä pidempikestoisesti ja tehokkaammin kuin perinteisten rokotevektoreiden. GTU®-MultiHIV immunisoinnin osoitettiin synnyttävän rokotespesifisen solu- ja vasta-ainevälitteisen immuunivasteen jokaista vektorin tuottamaa antigeeniä kohtaan. Immuunivasteen herättämisen osoitettiin olevan immunisaatioreitistä ja käytetystä annostuksesta riippuvainen, ihonsisäinen immunisointi todettiin lihaksensisäistä immunisaatiota tehokkaammaksi.

Soluvälitteistä immuunivastetta arvioitiin immunisoitujen hiirien lymfosyyttien antigeenispesifisellä gamma interferonin erityksellä. HIV-spesifisen immuunivasteen suojatehoa arvioitiin kahdessa kokeellisessa hiirimallissa, joista ensimmäisessä mallissa arvioitiin immunisoinnin kykyä estää MultiHIV-antigeeniä kantavien kasvainsolujen lisääntymistä. Toisessa mallissa saatiin viitteitä rokotteen suojatehosta eri HIV-1 kantoja vastaan käyttämällä hiirien pseudovirusaltistukseen HIV-1 kantoja, jotka poikkesivat rokotteen HIV-1 antigeenien kannoista. Lopuksi tutkittiin dendriittisolujen oleellista merkitystä immuunivasteen syntymisessä GTU®-MultiHIV DNA immunisoinnin jälkeen uutta lähestymistapaa käyttäen.

HIV-1 vaccine development has proven an extremely challenging task, largely related to the highly variable nature of the virus which generates constantly new variants able to escape the immune system surveillance and lack of correlates of protection. DNA vaccines have the potential to encode multiple viral antigens, thereby eliciting immune responses that could lead to improved containment of the HIV-1 virus in a relatively safe way. Furthermore, the endogenous synthesis of the plasmid encoded antigen mimics the viral replication and enables the antigen presentation in a natural way for immune system cells.

The first aim of this study was to evaluate the immunogenicity of the HIV-1 multigene DNA plasmid vaccine, encoding for Rev, Nef, Tat, p17, p24 and selected T cell epitopes of HIV-1 pol and env in mice. GTU® vector encoding the multigene is an advanced expression vector resulting in higher expression level and longer maintenance of the plasmid in dividing cells compared to conventional DNA plasmids. In the first part of the work, we demonstrated that GTU®-MultiHIV DNA induces cellular and humoral immune responses in mice directed to all components of the HIV-1 multigene. Delivery route and DNA dose used were shown to be major determinants for the efficiency of the immunization. Biolistic gene gun delivery induced strong immune responses with very low DNA doses, whereas intradermal and intramuscular administrations were dependent on high DNA doses. The induced cellular immune responses as measured by IFN-gamma secretion were shown to correlate with cytotoxic T cell activity in vitro and in vivo.

To evaluate the protective efficacy of the HIV-1 DNA vaccine induced immune responses, we developed a novel tumor challenge model. We showed that HIV-1 specific cellular immune responses were able to significantly delay the growth of the HIV-1 antigen expressing tumor, thereby demonstrating the cytotoxic activity of the induced T lymphocytes, which is an important characteristic of HIV-1 vaccine. Furthermore, the HIV-1 specific T cells activated by immunization were shown to efficiently clear the HIV-1/MuLV infected cells used for the challenge in another experimental challenge model. Indication of cross-clade protection was demonstrated by evaluating the protection induced by immunization with a multiclade specific plasmid cocktail, containing antigens derived from HIV-1 strains A C and F-H and subsequently using different HIV-1 subtypes for the challenge. Finally, we briefly addressed the significant role of dendritic cells in eliciting immune responses by GTU®-MultiHIV DNA immunization.