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RÚBENS PRINCE DOS SANTOS ALVES

DESENVOLVIMENTO DE UMA VACINA DE SUBUNIDADE CONTRA

O SOROTIPO 2 DO VÍRUS DENGUE BASEADA NA PROTEÍNA NÃO

ESTRUTURAL 5 (NS5).

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Microbiologia do Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de São Paulo, para obtenção do título de Mestre em Ciências.

Área de Concentração: Microbiologia Orientador: Prof. Dr. Luís Carlos de Souza Ferreira

Versão original

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RESUMO

ALVES, R. P. S. Desenvolvimento de uma vacina de subunidade contra o sorotipo 2 do vírus dengue baseada na proteína não estrutural 5 (NS5). 2015. 69 f. Dissertação de (Mestrado em Microbiologia) Instituto de Ciências Biomédicas, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.

A dengue é uma doença causada por quatro sorotipos do vírus da dengue (DENV 1-4), com milhões de pessoas afetadas em todo o mundo e um número significativo de mortes. Não há nenhum tratamento eficaz ou abordagens vacinais capazes de prevenir a infecção. As estratégias vacinais contra a dengue baseadas em proteínas não estruturais como antígenos têm demonstrado serem mais seguras do que as baseadas em proteínas estruturais. Além disso, respostas imunes celulares direcionadas a proteínas não estruturais desempenham um papel importante no controle da replicação viral. A proteína não estrutural 5 (NS5) do vírus dengue é a proteína mais conservada entre os quatro sorotipos e desempenha um papel crucial na replicação viral. Neste estudo, foi gerada uma forma recombinante da NS5 expressa em E. coli em quantidades elevadas e com propriedades antigênicas preservados em relação à proteína nativa. As condições de cultura foram optimizadas, a fim de permitir a expressão dessa proteína na forma solúvel. A imunização de camundongos Balb/c com a NS5 sozinha ou em combinação com um adjuvante (poli (I:C)) promoveu o aumento da sobrevida de camundongos imunizados após desafio intracraniano com a linhagem JHA1 de DENV2. A combinação da NS5 com poli (I:C) emulsionado em Montanide 720 induziu a expansão de linfócitos T CD8+ específicos. Em

conjunto, os resultados indicam que a proteína recombinante NS5 preserva determinantes antigênicos da proteína nativa e pode ser uma ferramenta útil para estudos sobre a biologia do DENV, busca de drogas anti-viriais e desenvolvimento de vacinas.

.

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ABSTRACT

ALVES, R. P. S. Development of a subunit vaccine against dengue virus serotype 2 based on the non-structural protein 5 (NS5). 2015. 69 p. Master thesis (Microbiology) – Instituto de Ciências Biomédicas, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.

Dengue fever is a disease caused by four dengue virus serotypes (DENV 1-4), affecting millions of people worldwide and causing a significant number of deaths. There are no effective treatments or vaccine approaches capable of preventing such infection. Anti-DENV vaccine strategies based on nonstructural proteins as antigens have been shown to be safer than those based on structural proteins. In addition, anti-DENV cellular immune responses against nonstructural proteins have shown to play a major role in controlling viral replication. The DENV nonstructural protein 5 (NS5), the most conserved protein among the four serotypes, plays a crucial role in viral replication. In this study, we generated a recombinant form of DENV2 NS5 expressed in E. coli in high amounts and with preserved antigenic properties with regard to the native protein. Culture conditions were optimized in order to allow expression of NS5 as a soluble protein. The immunization of Balb/c mice using this protein alone or in combination with poly (I:C) led to increased survival after intracranial challenge with the DENV2 JHA1 strain. The combination of the protein with poly (I:C) emulsified in Montanide 720 led to the activation of NS5-specific CD8+ T lymphocytes. Altogether, the results indicate that the recombinant NS5 protein preserves antigenic determinants of the native protein and may be a useful tool for studies dealing with the DENV's biology, search for anti-viral drugs and vaccine development.

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1 INTRODUÇÃO

1.1 O vírus e a doença

A febre da dengue é uma doença de caráter agudo, causada pelo virus Dengue (DENV), um arbovírus componente do gênero Flavivirus pertencente à família Flaviviridae transmitido por mosquitos do gênero Aedes (BHATT et al., 2013; GUZMAN et al., 2010). No ciclo urbano, o DENV circula na forma de quatro tipos imunologicamente distinguíveis (sorotipos): DENV-1, DENV-2, DENV-3 e DENV-4, que apresentam aproximadamente 30% de divergência na sequência de nucleotídeos dos seus genomas (BLOK, 1985; CHAN et al., 1965; DIERCKS, 1959; MYERS et al., 1964; SMITH, 1956). A infecção por um deles confere resposta imunológica protetora permanente contra o mesmo sorotipo e de curta duração contra os outros sorotipos (GUZMAN et al., 2010; GUZMAN; HARRIS, 2014; SABIN, 1952; WHITEHEAD et al., 2007).

Figura 1. Representação esquemática do genoma do vírus dengue. O genoma do vírus dengue é composto por um RNA de fita simples com orientação positiva e possui aproximadamente 11 kB que codifica 10 proteínas maduras, três estruturais: Capsídeo (C), Membrana (M) e Envelope (E) e sete proteínas não estruturais (NS): NS1, NS2 A e B, NS3, NS4 A e B e NS5. Há duas regiões não traduzíveis

em ambas as extremidades da fita de RNA chamadas de UTR (do inglês Untranslated Region). Fonte:

Guzman, et al., 2010.

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três proteínas estruturais: do capsídeo (C), do envelope (E), e a proteína precursora de membrana (prM), a qual sofre clivagem e origina a proteína de membrana (M); e sete proteínas não-estruturais que são: NS1, NS2a, NS2b, NS3, NS4a, NS4b e NS5 (RODENHUIS-ZYBERT et al., 2010). Quando o mosquito transfere o vírus para o homem, ocorrem as etapas do processo infeccioso e replicação viral (figura 2). Durante a infecção natural, as principais células-alvo de infecção pelo vírus dengue são monócitos, macrófagos e células dendríticas (HALSTEAD et al., 1980).

Figura 2. Etapas do processo de replicação do DENV. A primeira etapa no processo de infecção do DENV é a ligação (1) ao receptor viral, seguido de endocitose mediada por receptor (2). O pH no interior do endossomo é reduzido à medida que se aproxima do centro celular, o que induz a fusão da membrana do vírus com a do endossomo (3), permitindo a liberação do RNA no citoplasma da célula (4). Em seguida, a poli proteína viral é traduzida e maturada, e o RNA replicado pelo complexo de replicação (5), resultando finalmente na morfogênese de novas partículas virais e liberação dessas partículas no meio extracelular. RER: retículo endoplasmático rugoso; (+) ssRNA: RNA de fita simples com orientação positiva; (-) ssRNA: RNA de fita simples com orientação negativa. Fonte: Amorim; Alves; Ferreira, 2009.

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depende do domínio MTAse da NS5, que juntamente com a NS3, participam da síntese do CAP tipo I na porção 5’ da fita de RNA e desenovelamento do dsRNA (ACKERMANN; LUO et al., 2008b; PADMANABHAN, 2001). Por fim, há morfogênese viral e liberação de novas partículas infectantes (KUHN et al., 2002).

A infecção pelo DENV, após 4-8 dias de incubação, pode ser assintomática ou com sintomatologia de caráter subclínico. No entanto, a doença se manifesta abruptamente em três fase: febril, crítica e de recuperação. A fase crítica se inicia após a febre e o quadro patológico que pode se manifestar por sinais como: dores de cabeça, mialgia, artralgia, vômitos e dor abdominal aguda, bem como, o aumento da permeabilidade vascular, que podem gerar desde raches cutâneos a choque hipovolêmico, coagulação intravascular disseminada e hemorragia grave (GUZMAN; HARRIS, 2014; WORLD HEALTH ORGANIZATION, 2009). Devido ao amplo espectro de sinais e sintomas que podem ser desenvolvidos na dengue, a organização mundial de saúde (WHO, 2009), substituiu os termos febre hemorrágica da dengue (FHD) e síndrome de Choque da dengue (SCD), pela classificação de dengue com sinais de alerta e dengue com sinais de gravidades (WHO, 2009). Essa nova recomendação de classificação possibilitou que a triagem em áreas endêmicas fosse melhorada, visto que, instituiu o uso de outros sinais clínicos como indicativo de suspeita de dengue. Além disso, a decisão clínica para o tratamento da dengue com sinais de gravidade se tornou mais rápida, visto que o extravasamento de plasma deixou de ser uma característica sine qua non de dengue grave, de modo que o início precoce de tratamento em dengue com sinais de gravidade reduz o risco de morte de 20% para 1% (HORSTICK et al., 2012; SRIKIATKHACHORN et al., 2011).

Estudos recentes mostram que 96 milhões de casos anuais podem ter sintomas com severidade suficiente para alterar a rotina do indivíduo infectado (BHATT et al., 2013) e segundo estudos anteriores, cerca de 500 mil casos evoluem para forma grave. A taxa de mortalidade nestes grupos chega a 10% (50 mil) em indivíduos hospitalizados e 30% (150 mil) em indivíduos não hospitalizados (BARRETO; TEIXEIRA, 2008; GUZMAN et al., 2010 PONGSUMPUN et al., 2008; WHITEHEAD et al., 2007). Estas informações deixam clara a urgente necessidade de desenvolvimento de uma vacina para controle desta doença.

1.2 O desenvolvimento de vacinas contra a dengue

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evidencias experimentais e epidemiológicas que indicam que numa infecção secundária por um sorotipo diferente da primeira infecção, a replicação viral seria exacerbada pela facilitação de infecção de células imunológicas por uma via dependente de anticorpos sub-neutralizantes gerados durante a primeira infecção (figura 3). Este processo denominado ADE (do inglês

Antibody Dependent Enhancement) proporciona o aumento da carga viral e intensifica a

resposta inflamatória, sendo associado também ao desenvolvimento das formas de dengue com sinais de gravidade (HALSTEAD et al., 1977, 1980; HALSTEAD; O’ROURKE, 1977; HALSTEAD, 1979). Logo, vacinas monovalentes oferecem riscos quanto à segurança frente a infecções por DENV diferente do sorotipos vacinal.

Figura 3. Modelo do aumento da infecção do vírus dengue mediada por anticorpo. Esse fenômeno ocorre quando anticorpos heterotípicos, formados durante uma infecção primaria com o DENV, ligam-se à partícula viral de outro sorotipo de DENV numa infecção subsequente. Os anticorpos da infecção primária não podem neutralizar o vírus eficazmente. Em vez disso, o complexo anticorpo-vírus se liga

aos receptores chamados receptores Fcγ (FcγR) em monócitos circulantes. Os anticorpos ajudam o vírus

infectar estas células de forma mais eficiente resultando num aumento global da carga viral. Adaptado de Whitehead, et al., 2007.

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Tabela 1. Diferentes tipos de candidatos vacinais contra a dengue e seus desenvolvedores.

Diversos grupos empenham-se no desenvolvimento de abordagens baseadas nas vacinas de DNA (COSTA; FREIRE; ALVES, 2006; COSTA et al., 2007, 2011; WU et al., 2003a), porém, os riscos de geração de autoimunidade bem como a geração de tolerância ao antígeno continuam sendo os principais riscos associados a esse tipo de abordagem (KLINMAN et al., 2000). Já as vacinas de subunidade, embora, por definição, necessitem de adjuvantes para desencadear efeito protetor, induzem respostas imunológicas consideráveis e fornecem flexibilidade quanto às vias de administração (AMORIM et al., 2012; PANG, 2003). Portanto, as vacinas de subunidade, como as usadas neste trabalho, são mais seguras e de mais fácil aprovação quando comparadas às vacinas de DNA e com o vírus.

Tipo de Candidato Vacinal Referências

1.Virus vivo atenuado

1.1 Vírus atenuado por cultura de células (BHAMARAPRAVATI; YOKSAN,

1989; VAUGHN et al., 1996; KANESA-THASAN et al., 2003; SANCHEZ et al., 2006)

1.2 Vírus atenuado por mutagênese (MEN et al., 1996; DURBIN et al.,

2001; TROYER et al., 2001; WHITEHEAD; FALGOUT; et al., 2003)

2. Vírus quimérico

2.1 Vírus quimérico com Vírus da febre amarela (CAPEDING et al., 2011; GUY;

SAVILLE; LANG, 2010; GUY et al., 2011; MORRISON et al., 2010)

2.2 Vírus dengue inter-sorotipo (BLANEY et al., 2004, 2008;BRAY;

LAI, 1991; OSORIO et al., 2011; WHITEHEAD et al., 2003b)

3. Vírus inteiro inativado e purificado (PUTNAK et al., 1996; SIMMONS et al., 2010)

4. Vacinas de subunidade (CHIANG et al., 2011 CLEMENTS et al., 2010; GUZMÁN et al., 2003; KELLY et al., 2000)

5. Vacinas de DNA (APT et al., 2006; BECKETT et al.,

2011; DANKO; BECKETT;

PORTER, 2011; RAVIPRAKASH et al., 2006)

6. Vetores virais expressando antígenos da dengue (BRANDLER et al., 2007; HOLMAN et al., 2007; RAJA et al., 2007; RAVIPRAKASH et al., 2008; WHITE et al., 2007;)

7. VLP (ARORA et al., 2013; MANI et al.,

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As proteínas não estruturais são interessantes como antígenos alvos para uma vacina, visto o alto grau de conservação entre os sorotipos, a grande imunogenicidade das mesmas, e o risco nulo de indução de ADE, visto que essas proteínas não compões o vírion. As principais proteínas não estruturais do DENV são: NS1, NS3 e NS5. A NS1 é uma glicoproteína de 46-55 kDa, que pode ser associada à membrana citoplasmática, ou ainda, ser secretada para o meio extracelular e apesar de sua função biológica não ter sido totalmente elucidada, sabe-se que é altamente imunogênica (AVIRUTNAN et al., 2007a, 2011b; GAO et al., 2008). Dentro dos 26 anos desde o primeiro relato da NS1 em uma formulação vacinal, diversos trabalhos demonstram a capacidade dessa proteína em gerar proteção em modelo murino (AMORIM et al., 2012a; FALGOUT et al., 1990; HENRIQUES et al., 2013; WU et al., 2003b; ZHANG et al., 1988). É válido ressaltar que há algumas evidencias in vitro e in vivo que em condições altamente inflamatórias, a NS1 pode estar envolvida em fenômenos de autoimunidade, o que torna questionável o uso dessa proteína em formulações vacinais (AMORIM et al., 2014; AVIRUTNAN et al., 2007b, 2011a; MLADINICH et al., 2012).

A NS3 tem massa molecular de aproximadamente 70 kDa apresentando um domínio serino-protease (~18kDa) na região N-terminal e helicase (~ 52 kDa) na região C-terminal (LESCAR et al., 2008). A sua função biológica é vital para o ciclo viral, visto que há atuação tanto na clivagem da poli proteína resultante da tradução do RNA viral, bem como na função helicase que em conjunto com a NS5 promovem a replicação viral, sendo portanto, primordiais na biologia do patógeno (LUO; XU; HUNKE; et al., 2008). A NS3H se estende entre os aminoácidos 169-618, apresenta um sítio ATPase e por ser solúvel (diferente do domínio protease da NS3 e da proteína inteira) pode ser mais facilmente obtida (COSTA et al., 2011). Um fato relevante é que a NS3H conserva epítopos capazes de gerar uma resposta celular citotóxica (SPAULDING et al., 1999a) como foi visto no uso de linhagens vacinais de Salmonella Typhimurium como vetor para plasmídeos que continham um epítopo CTL específico presente na NS3H que se estendia entre os aminoácidos 298 e 306.

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tetravalentes com vírus dengue atenuado levam à resposta citotóxica direcionada principalmente a essa proteína (WEISKOPF et al., 2014). A referida proteína não está associada a partículas virais livres e, provavelmente, não induz a formação de anticorpos anti-DENV facilitadores de infecção. Há ainda evidências relacionadas ao reconhecimento da NS5 como importante alvo na geração resposta imune celular em macacos Rhesus infectados com o DENV-2. Linfócitos capazes de reconhecer especificamente epítopos da NS5 exibiam perfil polifuncional (MLADINICH et al., 2012). Esse estudo foi pioneiro no uso da NS5 na forma recombinante como antígeno alvo em formulações vacinais contra a dengue.

1.3 Os adjuvantes vacinais

No geral, um adjuvante pode ser definido como um aditivo ou veículo que melhora a resposta imune adaptativa ou estimula o sistema imunológico inato de forma a induzir eficientemente os efeitos imunológicos desejados (SCHIJNS; LAVELLE, 2011). Os adjuvantes podem ser classificados em 3 tipos baseados no seu modo de ação (BRUNNER et al., 2010): Os adjuvantes do tipo A são, em sua maioria, derivados de patógenos e atuam por uma via imunoestimulatória específica nas células apresentadoras de antígenos (APCs) pela indução de sinais de perigo. Idealmente, pela escolha do sinal correto de perigo, as APC’s podem ser programadas a induzirem uma resposta imunológica ajustada ao patógeno ao qual pertence o antígeno vacinal. Em contraste, os adjuvantes do tipo B promovem aumento da apresentação de antígenos (TEMMERMAN et al., 2011). Um clássico adjuvante desse tipo é o hidróxido de alumínio. Esse sal mineral é amplamente empregado em pesquisas e o único adjuvante viável para vacinas administradas em seres humanos no continente americano (AGUILAR; RODRÍGUEZ, 2007). Ainda dentro dessa classificação se têm: emulsões de óleo-em-água (o/w) e água-em-óleo (w/o), lipossomos, nanopartículas e micropartículas. Como é sabido, esses adjuvantes promovem o prolongamento da apresentação do antígeno via formação de depósito, proteção contra degradação, facilitação de entrega antigência direta nos linfonodos, aumento da captação por APCs e indução de apresentação cruzada. É importante ressaltar que a ausência de um agente imunoestimulatório pode resultar no favorecimento da tolerância imunológica ao antígeno (BRUNNER et al., 2010). Em contraste, os adjuvantes do tipo C promovem um sinal de perigo, porém sem a necessidade ativação das APCs, como exemplo se pode citar o Interferon do tipo 1 e o fator de necrose tumoral na sua forma solúvel em combinação a antígenos (BON, LE et al., 2001; KAYAMURO et al., 2009).

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um potencial candidato a adjuvante do tipo 2 para vacinação contra infecções virais. Como sabido, dsRNA são ligantes do receptor do tipo Toll (TLR) 3 que, por sua vez, se localiza na membrana do compartimento endossomal da maioria das APCs (DESMET; ISHII, 2012; TAKEUCHI; AKIRA, 2010).

A combinação de adjuvantes do tipo A (imunoestimulador) com B (sistema de entrega) se mostra como uma estratégia promissora na proteção de ambos, antígeno e do imunoestimulador, contra degradação. Inclusive, já foi sugerido que a apresentação de um antígeno fagocitado é mais eficiente quando co-formulado com um imunoestimulador (BLANDER; MEDZHITOV, 2006; SCHLOSSER et al., 2008). Algumas formulações já foram desenvolvidas para a entrega do antígeno e poli (I:C). Como demonstrado em modelo murinho, o Montanide ISA 720, cria uma emulsão w/o, com o poli (I:C) capaz de desencadear uma resposta Th1 potente e persistente, com a proliferação de linfócitos T CD8+

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CONCLUSÕES

Os objetivos almejados para desenvolvimento da presente dissertação foram alcançados e as conclusões obtidas foram:

 A forma recombinante da proteína NS5 do DENV-2 foi obtida com alto rendimento em sistema procarioto a partir da fração solúvel. A proteína preserva epitopos conformacionais presentes na sua forma nativa.

 A proteína NS5 recombinante aqui obtida é imunogênica quando administrada pela via subcutânea, induzindo a geração de IgG antígeno-especifica, produção de TNF-α e IFN-γ por células imunológicas e aumento de sobrevida em modelo de desafio com DENV-2 cepa JHA1.

 A imunogenicidade da NS5 foi potencializada pela adição de adjuvantes em um protocolo vacinal, desencadeando uma resposta humoral sistêmica com perfis de modulação adequado para cada formulação, entretanto nenhum dos adjuvantes induziu sobrevida maior que a induzida pela proteína sozinha.

 A formulação M720, que continha além da proteína os adjuvantes poli (I:C) emulsificado em Montanide 720, foi capaz de ativar linfócitos T CD8+ específicos,

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REFERÊNCIAS

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De acordo com:

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