Virus-Like Particles for Vaccine Development

Abstract

Viruksen kaltaiset partikkelit rokotekehityksessä

Rakenteellisesti aitoa virusta muistuttavista, mutta ei-infektiivisistä viruksen kaltaisista partikkeleista (VLP) on viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana muodostunut laajasti hyväksytty rokoteteknologia. VLP:itä voidaan tuottaa suoraan niitä vastaavien virusten rakenneproteiineista, jolloin viruksen kuoriproteiinien epitoopit ovat tehokkaasti esillä oikeassa muodossaan aiheuttaakseen halutun immuunivasteen elimistössä. Lisäksi voidaan tuottaa myös monimutkaisempia kimeerisiä VLP:itä, joissa VLP:n rakennetta hyödynnetään muiden kuin vastaavan viruksen antigeenisten epitooppien esittelyyn tai vaikkapa terapeuttisten molekyylien kuljettamiseen.

Tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa ja tutkia tietyistä tärkeistä norovirus- ja enteroviruskannoista johdettuja VLP:itä rokotetutkimusta ja diagnostisten menetelmien kehitystä varten sekä muokata niiden rakennetta edelleen kimeeristen VLP:iden tuottamiseksi. Norovirukset (NoV:t) ovat pääasiallisia akuutin epideemisen maha-suolitulehduksen aiheuttajia ympäri maailmaa, kun taas tässä tutkimuksessa käytetyn enteroviruskannan (CVB3) on arveltu olevan syynä akuuttiin ja krooniseen viruksen aiheuttamaan sydänlihastulehdukseen sekä dilatoivaan kardiomyopatiaan. Kaikkien tutkimuksessa kehitettyjen VLP:iden havaittiin muistuttavan läheisesti niitä vastaavia viruksia sekä sitovan tehokkaasti näiden virusten indusoimia vasta-aineita. Tästä johtuen niitä voitaisiin hyödyntää rokotekehityksessä ehkäisemään vastaavien virusten aiheuttamia tauteja sekä kehitettäessä diagnostisia menetelmiä. Lisäksi tutkimuksessa kehitettiin kimeerisiä NoV VLP:itä, joissa noroviruksen kuoriproteiinia muokattiin niin, että VLP:n pintaan pystyttiin kiinnittämään ei-kovalenttisesti erilaisia molekyylejä, kuten kokonaisia proteiineja, peptidejä sekä fluoresoivia leimoja. Näitä kimeerisiä VLP:itä voitaisiin jatkossa hyödyntää esimerkiksi muokattavina nanometri-mittakaavassa olevina kuljettimina tai monipuolisina rokotealustoina.

Kokonaisuudessaan tässä väitöskirjatyössä tuotettiin useita VLP-teknologiaan perustuvia proteiinikomplekseja, joita voidaan soveltaa rokotekehityksessä, diagnostiikassa sekä monipuolisesti esimerkiksi nanobioteknologian sekä biolääketieteen aloilla. Lisäksi kehitetyt ja tutkitut VLP:t lisäävät tietoa, jota tarvitaan uusien VLP:iden valmistamisessa ja muokkauksessa.

Over the last three decades, non-infective virus-like particles (VLP) that mimic the overall structure of viruses have become a widely accepted technology for developing diagnostic tools and therapy vectors, but especially for the construction of novel vaccines. Initially, VLPs were primarily derived from their corresponding viruses, and they proved to be feasible vaccine candidates due to their virus-like size and effective presentation of viral epitopes in a native conformation. Later, a second generation of complex chimeric VLPs utilizing the VLP structure to present antigenic or therapeutic epitopes on their surface or carry therapeutic molecules in their inner cavities has been developed.

The main aim of this doctoral research was to produce and characterize VLPs that derive from relevant strains of norovirus and enterovirus for vaccine development and diagnostics and to modify their structures to produce chimeric VLPs. Noroviruses (NoVs) are a major cause of acute epidemic gastroenteritis worldwide, and the enterovirus strain used in this study (CVB3) is associated in acute and chronic viral myocarditis and dilated cardiomyopathy. All the VLPs generated during this thesis (native NoV VLPs, CVB3 VLPs and both forms of histidine-tagged NoV VLPs) were found to closely resemble their respective viruses and be highly antigenic, and therefore, applicable as vaccine candidates and for use in the development of diagnostic methods. Furthermore, chimeric NoV VLPs were produced by adding a C-terminal polyhistidine-tag to the capsid protein, which projected out of the NoV surface. By using the affinity between polyhistidine-tag and tris-nitrilotriacetic acid (trisNTA), fluorescent dye molecules, peptides, and even whole proteins were then displayed on the surface of histidinetagged NoV VLPs to demonstrate that these chimeric VLPs can be used as easily modifiable nanocarriers or a versatile vaccine platform.

To overcome certain technical difficulties present in the development of new vaccines, an efficient eukaryotic baculovirus-insect cell -based production system and several scalable chromatographic purification methods based on either ion exchange or immobilized metal ion affinity, were developed for the VLPs and the protein products generated during this thesis. The chromatographic purification methods resulted in fully assembled VLPs with high purity and also offer the possibility of adapting this technology for the production and scale-up of other VLPs.

In conclusion, this work produced several VLP-based products that are applicable as vaccine candidates against their respective virus-related diseases and which can also be used for the development of diagnostic methods. In addition, the histidine-tag of NoV P particles and on chimeric NoV VLPs enables the use of affinity matrices for orienting and immobilizing the particles on the surface of microparticles or other appropriate surfaces as well as conjugating foreign molecules on their surface, therefore providing a robust and versatile tool for the nanobiotechnology applications and biomedical sciences. Moreover, the information gathered during the course of this thesis offers valuable insights for the future production and tailoring of VLPs.