Verrijking van inheemse en recombinante extracellulaire blaasjes van mycobacteriën

Ondanks de ontwikkeling en toediening van een breed scala aan vaccins tegen infectieziekten, vindt zelfs tot op de dag van vandaag ~30% van alle menselijke sterfgevallen nog steeds plaats door overdraagbare ziekten^. Vóór de komst van het tuberculosevaccin (tbc) – Bacillus Calmette Guerin (BCG) – was tuberculose doodsoorzaak nummer één (~10.000 tot 15.000/100.000 inwoners)². Met de toediening van BCG en gemakkelijke toegang tot eerste- en tweedelijns anti-tbc-medicijnen, is het aantal tbc-gerelateerde sterfgevallen in 2022 dramatisch gedaald tot ~1 miljoen/jaar in 2022 (d.w.z. ~15-20/100.000 inwoners¹). In tbc-endemische populaties van de wereld blijven tbc-gerelateerde sterfgevallen echter ~100-550/100.000 inwoners¹. Hoewel experts verschillende redenen erkennen die tot deze scheve cijfers leiden, lijkt BCG-gemedieerde bescherming die zelfs het eerste decennium van het leven niet duurt, de belangrijkste reden te zijn 3,4,5,6,7. Bijgevolg is er, gezien de vernieuwde ‘Sustainable Development Goals’ van de VN en de ‘End TB Strategy’ van de WHO, een gezamenlijke wereldwijde inspanning om een veel beter vaccinalternatief voor BCG te ontwikkelen dat misschien levenslange bescherming tegen tuberculose biedt.

Om dat doel te bereiken, evalueren verschillende groepen momenteel gemodificeerde/recombinante BCG-stammen, niet-pathogene en verzwakte mycobacteriële soorten anders dan BCG, en subeenheidkandidaten 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 . Doorgaans zijn subeenheidvaccins liposomen die selectief zijn geladen met enkele gezuiverde (~1-6) volledige of afgeknotte immunogene eiwitten van de ziekteverwekker. Echter, vanwege hun onechte vouwen in niet-inheemse conformaties en/of willekeurige niet-functionele interacties tussen de geladen eiwitten, missen subeenheden vaak native en germane epitopen en slagen ze er daarom niet in om het immuunsysteem voldoende te primen^14,19,20.

Bijgevolg zijn extracellulaire blaasjes (EV’s) van bacteriën in een stroomversnelling gekomen als een veelbelovend alternatief 21,22,23,24,25,26. Doorgaans bevatten bacteriële EV’s (bEV’s) een subset van hun cellulaire componenten, waaronder enkele delen nucleïnezuren, lipiden en honderden metabolieten en eiwitten^27,28. In tegenstelling tot liposomen waar een paar gezuiverde eiwitten kunstmatig worden geladen, bevatten bEV’s honderden natuurlijk geladen, native-gevouwen eiwitten met een betere neiging om het immuunsysteem te stimuleren, vooral zonder de boost/hulp van adjuvantia en Toll-like receptor (TLR) agonisten^27,28,29. Het is in deze onderzoekslijn dat wij en anderen het nut van mycobacteriële EV’s hebben onderzocht als potentiële subunit-boosters voor BCG³⁰. Ondanks de bezorgdheid dat bEV’s geen uniforme antigeenbelasting hebben, hebben EV’s van verzwakte Neisseria meningitidis mensen met succes beschermd tegen serogroep B-meningokokken^31,32.

In ieder geval theoretisch zijn de beste EV’s die BCG goed zouden kunnen stimuleren de EV’s die zijn verrijkt met pathogene bacteriën. Het verrijken van EV’s gegenereerd door pathogene mycobacterium is echter duur, tijdrovend en riskant. Bovendien kunnen door ziekteverwekkers gegenereerde EV’s virulenter dan beschermend zijn. Gezien de potentiële risico’s rapporteren we hier een goed getest protocol voor de verrijking van EV’s gegenereerd door axenisch gekweekte Msm, een avirulente mycobacterie.

Ondanks het feit dat ze coderen voor verschillende orthologen van pathogene eiwitten, missen avirulente mycobacteriën verschillende vaccinantigenen/pathogene eiwitepitopen die nodig zijn om het immuunsysteem voldoende voor te bereiden op bescherming³³. Daarom hebben we ook onderzoek gedaan naar het construeren en verrijken van recombinante EV’s van Msm door middel van moleculaire engineering, zodat een aanzienlijk deel van elk pathogeen eiwit dat van belang is en wordt uitgedrukt en vertaald in Msm, zijn EV’s moet bereiken. We veronderstelden dat een of meer van de top 10 overvloedige eiwitten van Msm EV’s, wanneer ze worden gefuseerd met het eiwit van belang, zullen helpen bij een dergelijke translocatie.

Terwijl we begonnen met het standaardiseren van de verrijking van mycobacteriële EV’s (mEV’s) in ons laboratorium, rapporteerden Prados-Rosales et al. in 2011 voor het eerst de visualisatie en verrijking van mEV’s in vitro³⁰. Later, in 2014, publiceerde dezelfde groep een aangepaste versie van hun methode uit 2011³⁴. In 2015 rapporteerden Lee et al. ook een onafhankelijk gestandaardiseerde methode voor mEV-verrijking, opnieuw uit axenische culturen van mycobacteriën³⁵. Door beide protocollen 34,35 te combineren en enkele van onze wijzigingen op te nemen na grondige standaardisatie^, beschrijven we hier een protocol dat helpt bij het routinematig verrijken van mEV’s uit axenische culturen van mycobacteriën³⁶.

Hier beschrijven we in het bijzonder de verrijking van Msm-specifieke EV’s, wat een uitbreiding is van een gepubliceerd protocol³⁶ voor de verrijking van mycobacteriële EV’s in het algemeen. We beschrijven ook hoe we recombinante mEV’s (R-mEV’s) kunnen construeren die het mCherry-eiwit bevatten (als een rode fluorescerende reporter) en EsxA (Esat-6)^37,38,39, een overheersend immunogeen en een potentiële subeenheid vaccinogeen van Mycobacterium tuberculosis. Het protocol voor het verrijken van de R-mEV’s blijft identiek aan het protocol dat we hebben beschreven voor het verrijken van native EV’s van Msm.