Обогащение нативных и рекомбинантных внеклеточных везикул микобактерий

Несмотря на разработку и применение широкого спектра вакцин против инфекционных болезней, даже по сей день ~30% всех случаев смерти людей по-прежнему происходит от инфекционных^{болезней1}. До появления вакцины против туберкулеза (ТБ) – Bacillus Calmette Guerin (БЦЖ) – туберкулез был убийцей номер один (от ~10 000 до 15 000 на 100 000 населения)². Благодаря введению БЦЖ и легкому доступу к противотуберкулезным препаратам первой и второй линии к 2022 г. смертность, связанная с туберкулезом, резко снизилась до ~1 млн/год к 2022 г. (т.е. ~15-20 на 100 000^{населения1}). Тем не менее, в эндемичных по туберкулезу популяциях мира смертность, связанная с туберкулезом, по-прежнему составляет ~100-550 на 100 000^{населения1}. В то время как эксперты признают несколько причин, приводящих к таким искаженным цифрам, опосредованная БЦЖ защита, не сохраняющаяся даже в течение первого десятилетия жизни, по-видимому, является основной причиной 3,4,5,6,7. Таким образом, с учетом обновленных «Целей в области устойчивого развития» ООН и «Стратегии ВОЗ по ликвидации туберкулеза» предпринимаются согласованные глобальные усилия по разработке гораздо более совершенной альтернативы БЦЖ, которая, возможно, обеспечит пожизненную защиту от туберкулеза.

Для достижения этой цели несколько групп в настоящее время оценивают модифицированные/рекомбинантные штаммы БЦЖ, непатогенные и аттенуированные виды микобактерий, отличные от БЦЖ, и субъединичные кандидаты 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 . Как правило, субъединичные вакцины представляют собой липосомы, селективно нагруженные небольшим количеством очищенных (~1-6) полноразмерных или укороченных иммуногенных белков патогена. Тем не менее, из-за их ложного сворачивания в ненативные конформации и/или случайных нефункциональных взаимодействий между загруженными белками, субъединицы часто не имеют нативных и германных эпитопов и, следовательно, не могут в достаточной степени подготовить иммунную систему^14,19,20.

Следовательно, внеклеточные везикулы (ВВ) бактерий набрали обороты в качестве многообещающей альтернативы 21,22,23,24,25,26. Как правило, бактериальные ВВ (бВВ) содержат подмножество своих клеточных компонентов, включая некоторые части нуклеиновых кислот, липидов и сотни метаболитов и белков^27,28. В отличие от липосом, в которых несколько очищенных белков искусственно загружены, бэв содержат сотни естественно загруженных, нативно свернутых белков с большей склонностью к подготовке иммунной системы, особенно без усиления/помощи адъювантов и агонистов толл-подобных рецепторов (TLR)^27,28,29. Именно в рамках этого направления исследований мы и другие изучили полезность микобактериальных EV в качестве потенциальных субъединичных бустеров BCG³⁰. Несмотря на опасения по поводу того, что у бэв отсутствует однородная антигенная нагрузка, ВВ аттенуированной Neisseria meningitidis успешно защищают людей от менингококка серогруппы В^31,32.

По крайней мере, теоретически, лучшими ВВ, которые могут хорошо повысить БЦЖ, являются ВВ, обогащенные патогенными бактериями. Однако обогащение электромобилей, генерируемых патогенными микобактериями, является дорогостоящим, трудоемким и рискованным процессом. Кроме того, электромобили, генерируемые патогенами, могут быть более вирулентными, чем защитными. Учитывая потенциальные риски, здесь мы сообщаем о хорошо протестированном протоколе обогащения электромобилей, генерируемых аксенически выращенной МСМ, авирулентной микобактерией.

Однако, несмотря на то, что авирулентные микобактерии кодируют несколько ортологов патогенных белков, им не хватает нескольких вакцинных антигенов/эпитопов патогенных белков, необходимых для того, чтобы в достаточной степени подготовить иммунную систему^{к защите}. Поэтому мы также исследовали создание и обогащение рекомбинантных ВВ МСМ с помощью молекулярной инженерии, таким образом, чтобы значительная часть любого патогенного белка, представляющего интерес, экспрессируемого и транслируемого в МСМ, должна достигать своих ВВ. Мы предположили, что один или несколько из 10 наиболее распространенных белков МСМ ВВ при слиянии с интересующим белком будут способствовать такой транслокации.

В 2011 году, когда мы начали стандартизировать обогащение микобактериальных ВВ (мВВ) в нашей лаборатории, Прадос-Росалес и др. впервые сообщили о визуализации и обогащении МЭВ in vitro³⁰. Позже, в 2014 году, та же группа опубликовала модифицированную версию своего метода³⁴ 2011 года. В 2015 году Lee et al. также сообщили о независимом стандартизированном методе обогащения mEV из аксенических культур микобактерий³⁵. Объединив оба протокола 34,35 и включив некоторые из наших модификаций после тщательной стандартизации^, мы описываем здесь протокол, который помогает регулярно обогащать mEV из аксенических культур микобактерий³⁶.

Здесь мы особенно подробно остановимся на обогащении ВВ, специфичных для МСМ, которое является расширением опубликованного протокола³⁶ для обогащения ВВ микобактерий в целом. Мы также подробно описываем, как конструировать рекомбинантные mEV (R-mEV), которые содержат белок mCherry (в виде красного флуоресцентного репортера) и EsxA (Esat-6)^37,38,39, преобладающий иммуноген и потенциальный субъединица вакциногена Mycobacterium tuberculosis. Протокол обогащения R-mEV остается идентичным тому, который мы описали для обогащения нативных электромобилей от Msm.