Un criblage à grande échelle des protéines de la tuberculose a révélé plusieurs antigènes possibles qui pourraient être développés comme nouveau vaccin contre la tuberculose, la maladie infectieuse la plus mortelle au monde.
Dans la nouvelle étude, une équipe d’ingénieurs biologiques du MIT a pu identifier une poignée de peptides immunogènes, parmi plus de 4 000 protéines bactériennes, qui semblent stimuler une forte réponse d’un type de lymphocyte T responsable de l’orchestration de la réponse des cellules immunitaires à l’infection.
Il n’existe actuellement qu’un seul vaccin contre la tuberculose, appelé BCG, qui est une version affaiblie d’une bactérie responsable de la tuberculose chez les vaches. Ce vaccin est largement administré dans certaines régions du monde, mais il protège mal les adultes contre la tuberculose pulmonaire. Dans le monde, la tuberculose tue plus d’un million de personnes chaque année.
« Il existe encore un énorme fardeau de la tuberculose à l’échelle mondiale sur lequel nous aimerions avoir un impact », déclare Bryan Bryson, professeur agrégé de génie biologique au MIT et membre du Ragon Institute of Mass General Brigham, du MIT et de Harvard.
« Ce que nous avons essayé de faire dans ce premier vaccin contre la tuberculose, c’est de nous concentrer sur les antigènes que nous avons fréquemment observés dans notre test et qui semblent également stimuler une réponse des lymphocytes T chez les personnes ayant déjà été infectées par la tuberculose. »
Bryson et Forest White, professeurs Ned C. et Janet C. Rice de génie biologique au MIT et membre de l’Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer, sont les auteurs principaux de l’étude, qui paraît dans Médecine translationnelle scientifique. Owen Leddy, Ph.D. est l’auteur principal du journal.
Identifier les cibles du vaccin
Depuis que le vaccin BCG a été développé il y a plus de 100 ans, aucun autre vaccin contre la tuberculose n’a été approuvé. Mycobacterium tuberculosis produit plus de 4 000 protéines, ce qui rend difficile la sélection de protéines susceptibles de provoquer une forte réponse immunitaire si elles sont utilisées comme vaccin.
Dans la nouvelle étude, Bryson et ses étudiants ont entrepris de restreindre le champ des candidats en identifiant les protéines tuberculeuses présentées à la surface des cellules humaines infectées.
Lorsqu’une cellule immunitaire telle qu’un phagocyte est infectée par Mycobacterium tuberculosis, certaines protéines bactériennes sont coupées en fragments appelés peptides, qui sont ensuite affichés à la surface de la cellule par les protéines du CMH. Ces complexes CMH-peptide agissent comme un signal pouvant activer les cellules T.
Les CMH, ou complexes majeurs d’histocompatibilité, se déclinent en deux types appelés classe I et classe II. Les CMH de classe I activent les cellules T tueuses, tandis que les CMH de classe II stimulent les cellules T auxiliaires. Dans les cellules humaines, trois gènes peuvent coder pour les protéines MHC-II, et chacun d’entre eux se décline en centaines de variantes. Cela signifie que deux personnes peuvent avoir un répertoire très différent de molécules du CMH-II, qui présentent des antigènes différents.
« Au lieu d’examiner l’ensemble de ces 4 000 protéines de la tuberculose, nous voulions demander lesquelles de ces protéines de la tuberculose finissent par être exposées au reste du système immunitaire via le CMH », explique Bryson. « Si nous pouvions simplement répondre à cette question, nous pourrions alors concevoir des vaccins correspondants. »
Pour tenter de répondre à cette question, les chercheurs ont infecté des phagocytes humains avec Mycobacterium tuberculosis. Après trois jours, ils ont extrait les complexes CMH-peptides des surfaces cellulaires, puis ont identifié les peptides par spectrométrie de masse.
En se concentrant sur les peptides liés au CMH-II, les chercheurs ont découvert 27 peptides tuberculeux, issus de 13 protéines, apparaissant le plus souvent dans les cellules infectées. Ensuite, ils ont testé ces peptides en les exposant à des cellules T données par des personnes ayant déjà été infectées par la tuberculose.
Ils ont découvert que 24 de ces peptides provoquaient une réponse des lymphocytes T dans au moins certains des échantillons. Aucune des protéines à l’origine de ces peptides n’a fonctionné pour chaque donneur, mais Bryson estime qu’un vaccin utilisant une combinaison de ces peptides fonctionnerait probablement pour la plupart des gens.
« Dans un monde parfait, si vous essayiez de concevoir un vaccin, vous choisiriez une protéine et cette protéine serait présentée à chaque donneur. Cela devrait fonctionner pour chaque personne », explique Bryson. « Cependant, en utilisant nos mesures, nous n’avons pas encore trouvé de protéine tuberculeuse couvrant tous les donneurs que nous avons analysés jusqu’à présent. »
Entrez les vaccins à ARNm
Parmi les candidats vaccins identifiés par les chercheurs figurent plusieurs peptides appartenant à une classe de protéines appelées systèmes de sécrétion de type 7 (T7SS). Certains de ces peptides sont également apparus dans une étude antérieure du laboratoire de Bryson sur le MHC-1.
« Les substrats du système de sécrétion de type 7 ne représentent qu’une très petite partie du protéome global de la tuberculose, mais lorsque vous regardez le CMH de classe I ou le CMH de classe II, il semble que les cellules les présentent préférentiellement », explique Bryson.
Deux de ces protéines les plus connues, EsxA et EsxB, sont sécrétées par les bactéries pour les aider à s’échapper des membranes que les phagocytes utilisent pour les envelopper dans la cellule. Aucune des deux protéines ne peut traverser la membrane à elle seule, mais lorsqu’elles sont réunies pour former un hétérodimère, elles peuvent percer des trous, qui permettent également à d’autres protéines T7SS de s’échapper.
Pour évaluer si les protéines qu’ils ont identifiées pourraient constituer un bon vaccin, les chercheurs ont créé des vaccins à ARNm codant pour deux séquences protéiques : EsxB et EsxG. Les chercheurs ont conçu plusieurs versions du vaccin, ciblant différents compartiments des cellules.
Les chercheurs ont ensuite administré ce vaccin dans des phagocytes humains, où ils ont découvert que les vaccins ciblant les lysosomes cellulaires (organites qui décomposent les molécules) étaient les plus efficaces. Ces vaccins ont induit une présentation 1 000 fois plus importante de peptides tuberculeux dans le CMH que n’importe lequel des autres.
Ils ont découvert plus tard que la présentation était encore plus élevée s’ils ajoutaient EsxA au vaccin, car il permet la formation d’hétérodimères capables de traverser la membrane lysosomale.
Les chercheurs disposent actuellement d’un mélange de huit protéines qui, selon eux, pourraient offrir une protection contre la tuberculose à la plupart des gens, mais ils continuent de tester cette combinaison avec des échantillons de sang provenant de personnes du monde entier. Ils espèrent également mener des études supplémentaires pour explorer le degré de protection offert par ce vaccin dans des modèles animaux. Les tests sur les humains seront probablement effectués dans plusieurs années.
