HIV-1 vaccine epitope delivery based on foamy viral hybrid proteins and vectors

Abstract

The induction of neutralising antibodies by immunisation represents one of the best strategies to prevent subsequent virus infections. However, whereas such antibodies form the basis of several vaccines available today, attempts to induce protective immune responses against the human immunodeficiency virus (HIV) failed till now. This work aimed to establish and evaluate a novel vaccine approach based on apathogenic, persistently infecting foamy virus (FV) to exploit their continuous antigen delivery and immune stimulation. To allow testing of such novel vectors in vivo, the feline FV (FFV) was used as model for later application in in cats. In a first approach, the transmembrane envelope (TM) protein of FFV was investigated as potential epitope scaffold. With the help of recombinantly produced antigen it was demonstrated that the TM protein is a strong immunogen during natural FFV infection and used to serologically determine for the first time the FFV prevalence in Germany. After immunogenic regions within FFV TM were mapped, replacing these domains through the membrane proximal external region (MPER) of the HIV TM protein, an epitope recognised by several HIV-1 broadly neutralising antibodies (bnAb), was accomplished. The generated chimeric FFV/HIV-1 Env were released from transfected cells as subviral particles (SVPs), presenting the HIV MPER epitope in a FV typical high density on the particle surface, in a trimeric context and a lipid environment and were thus tested in subsequent immunisation experiments. However, since they gave rise to fusion-defective FFV, they were impractical for application in a replicating system. In a second strategy, fusion proteins of the accessory FFV Bet protein and HIV-1 epitopes were therefore evaluated. Characterisation of these antigens showed that they were efficiently recognised by the preferred HIV-1 bnAb and elicited binding antibodies with identical epitope specificity in immunisation studies. Using further improved HIV-1 inserts this approach could be successfully transferred into the FFV and resulted in the production of infectious, chimeric FFV viruses. Importantly, HIV-1 epitope expression remained stable after extended passaging on feline cells, suggesting that these vectors are suitable for studying the effects of affinity maturation on the emergence of bnAb responses. Taken together, in this work two new HIV-1 vaccine platforms based on SVPs and replicating FFV were developed, which are characterised by a high safety profile. In particular the replicating FFV/HIV-1 chimeric viruses thereby represent attractive vectors for further analysis in vivo.

Die Induktion neutralisierender Antikörper durch Vakzinierung ist eine der attraktivsten Strategien, um eine nachfolgende Infektion durch Viren zu verhindern. Während jedoch solche Antikörper die Basis für viele bestehende Impfstoffe darstellen, blieben Versuche, vergleichbare Ansätze für das Humane Immundefizienz- Virus (HIV) umzusetzen, bisher erfolglos. Diese Arbeit diente der Etablierung und Evaluierung eines neuen Impfkonzepts basierend auf foamyviralen (FV) Trägerviren, welches sich die apathogene, aber persistierende Infektion und dadurch verlängerte Antigenexpression der FV zu Nutzen machen sollte. Im Fokus stand dabei insbesondere das feline FV (FFV), um generierte Viren später im Tiermodell testen zu können. Zunächst wurde dafür das transmembrane (TM) Hüllprotein des FFV als potentielles Trägerprotein näher untersucht. Mittels rekombinant hergestelltem TM Protein wurde gezeigt, dass dieses ein starkes Immunogen während der natürlichen FFV Infektion darstellt und erstmals zur Bestimmung der FFV Prävalenz in Deutschland eingesetzt. Für den HIV-Impfstoff wurde nach Kartierung immunogener Bereiche im FFV TM Protein ein Austausch dieser Domänen gegen die membran-proximale externe Region (MPER) des TM Proteins von HIV als Epitop mehrerer breitneutralisierender Antikörper (bnAk) durchgeführt. Die generierten FFV/HIV Env Hybride wurden als subvirale Partikel (SVPs) freigesetzt, was Immunisierungsversuche mit diesen Antigenen, die die HIV MPER an der Partikeloberfläche in einer FV-typischer Dichte, in einem trimerisiertem Zustand und einer Lipidumgebung präsentieren, ermöglichte. Mit diesen FFV/HIV Envs pseudotypisierte Viren blieben jedoch replikations- defizient. Als zweite Strategie wurden daher Fusionsproteine bestehend aus dem akzessorischem Bet Protein des FFV und den HIV-1 TM Epitopen hergestellt. Die Charakterisierung dieser Antigene zeigte eine hochaffine Bindung von bnAk gegen HIV-1 an diese Antigene sowie die Induktion bindender Antikörper mit identischer Erkennungssequenz in Immunisierungsstudien. Die Strategie wurde mit weiter optimierten Antigenen erfolgreich auf das FFV übertragen. Die Expression der HIV-1 Epitope blieb dabei auch nach mehrmaligen Passagieren der chimären Viren in felinen Zellen stabil und ist daher für Untersuchungen zur Notwendigkeit der Affinitätsreifung für die Entstehung bnAk besonders geeignet. Zusammengefasst wurden in dieser Arbeit zwei neuartige HIV- Impfstoffsysteme basierend auf hybriden SVPs und replizierenden FFV entwickelt, die sich durch ihre hohe biologische Sicherheit auszeichnen. Insbesondere die replizierenden FFV/HIV-1 Hybride stellen dabei attraktive Vektoren für weitere in vivo Versuche dar.