Computer Design of Vaccines: Approaches, Software Tools and Informational Resources

Abstract

Development of computer methods in molecular biology and fast growth of microbial genomics data enabled new approach based on selecting in silico antigenic components to design vaccine constructs. It is expected that application of this technology will eliminate side effects of new vaccines and reduce the time consumption and financial expenses. The bioinformatics methods of sequence analysis are used to reveal the most prospective proteins or protein fragments of infectious agents as candidates for vaccine design. In these studies the specialized molecular immunology databases are widely used. The new approach ("Reverse vaccinology") could help in designing vaccines against diseases where traditional methods are not successful, e.g. when the viral genome reveals the extreme variability and permanent changes of antigenic properties that make difficulties for selection of molecular targets for medicines and candidate vaccines. A number of informational resources are already designed to collect and provide genomic data on certain microbes or viruses. The peculiarity of such resources is presentation of data, characterizing the different genomic variants of the same infectious agents. These structural data coupled with information on functional/immune features and software tools have to compose basis for constructing a new generation of vaccines against "common" and new infections such as AIDS, Hepatitis C, and SARS. The approaches published in literature, as well as the authors' original results are discussed.

Synthetic peptide vaccines

“…ВЫБОР АНТИГЕННЫХ ДЕТЕРМИНАНТ ДЛЯ ИММУНОГЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ. Прежде всего надо принять во внимание, каков должен быть тип иммунного ответа, направленного на нейтрализацию патогена и обеспечивающего вакцинотерапию и/или вакцинопрофилактику, -цитотоксический ответ, реализуемый специфическими цитотоксическими Т-лимфоцитами, или специфический гуморальный, то есть образование специфических нейтрализующих антител плазматическими клетками, в которые превращаются активируемые антигеном В-лимфоциты [15]. Механизмы формирования специфического иммунного ответа на чужеродные антигены разной природы в общих чертах подробно описаны в учебных пособиях и монографиях [19,20].…”

“…Технология этого процесса хорошо описана в ранее опубликованных обзорах [5,15,21]. Для подтверждения антигенности и вирулентности предсказанных белковых молекул последние экспрессируют, тестируют на взаимодействие с антителами, полученными от больных с соответствующими инфекциями, и на способность вызывать патологические реакции у животных [5].…”

“…Соболева и соавт. [15,33]. Следует лишь отметить, что возможности компьютерного предсказания эпитопов постоянно расширяются: появление новой информации о картированных В-и Т-эпитопах приводит к уточнению соответствующих им паттернов и, следовательно, к повышению эффективности работы соответствующих программных продуктов; для серверов, содержащих базы данных об эпитопах, разрабатываются новые, более удобные интерфейсы, создаются объединённые серверы, позволяющие в одном и том же месте осуществлять поиск возможных В-и Т-эпитопов и составлять их в предполагаемые иммуногенные конструкции [34][35][36][37][38][39][40][41][42].…”

“…после стимуляции их соответствующими пептидами [51]. В состав пептидной вакцины обычно включают такой Т-хелперный эпитоп, который обладает сродством к нескольким наиболее распространенным в данной популяции аллелям HLA (так называемый универсальный, или "неразборчивый" (promiscuous) Т-эпитоп), либо фрагмент антигена, содержащий несколько перекрывающихся Т-эпитопов различной специфичности по отношению к HLA [15,52,53]. В пептидные кандидатные вакцины, направленные на индукцию цитотоксического ответа, включают несколько цитотоксических Т-эпитопов различной специфичности по отношению к HLA [54,55].…”

“…Сложные структуры менее чувствительны к протеолизу и потому более стабильны при введении в организм, в них создается более высокая локальная концентрация иммуногена [15]. Однако их труднее получать, кроме того, сложная структура их поверхности может интерферировать с распознаванием отдельных линейных В-эпитопов, входящих в их состав [59].…”