Desenvolvimento de uma vacina multiepítopo para a cólera e vibriose e o desenvolvimento de um software de imunoinformática para a construção de novos imunógenos: Vaxpipe
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
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Helioswilton Sales de Campos
Vasco Ariston de Carvalho Azevedo
Vasco Ariston de Carvalho Azevedo
Resumo
O gênero Vibrio, constituído por bactérias Gram-negativas e predominantemente
flageladas, habita ecossistemas aquáticos costeiros, como estuários e fozes de rios,
com proliferação no ambiente favorecida por temperaturas acima de 20 °C. Embora
a maioria das espécies exiba comportamento comensal, algumas representam
riscos à saúde humana, causando infecções graves transmitidas por ingestão de
água ou frutos do mar contaminados ou por exposição de feridas a ambientes
aquáticos. Designadas vibrioses, essas infecções variam de gastroenterites
autolimitadas a complicações sistêmicas letais, incluindo septicemia e fasciíte
necrosante, que podem culminar em amputações. O Vibrio cholerae destaca-se
como o principal patógeno do gênero, responsável pela cólera, doença diarreica
aguda endêmica em regiões com precárias condições sanitárias. A diversidade
antigênica e a capacidade adaptativa desses patógenos demandam estratégias
profiláticas inovadoras. Vacinas multiepitopo concentram os epítopos mais
conservados e imunogênicos num único imunógeno, garantindo ampla cobertura
para a população, contra diferentes patógenos e segurança aprimorada, não
utilizando patógenos inteiros inativos ou proteínas virulentas para humanos por
exemplo. Neste estudo, propõe-se uma abordagem computacional integrada para o
desenvolvimento de uma vacina multiepitopo contra Vibrio, utilizando 29 genomas
completos de 6 espécies do gênero e combinando vacinologia reversa, que identifica
antígenos candidatos a partir de dados genômicos, com imunoinformática, para
predição e recombinação de epítopos imunogênicos. Foram identificadas seis
proteínas antigênicas conservadas, das quais 28 epítopos foram preditos: 24 com
reconhecimento simultâneo por linfócitos T citotóxicos e B, e quatro por linfócitos T
auxiliares e B. Esses epítopos foram integrados em uma sequência vacinal sintética,
denominada vme-VAC/MST-1, projetada para exibir alta antigenicidade, estabilidade
físico-química e ausência de toxicidade ou alergenicidade em análises In silico.
Paralelamente, todo o processo computacional foi automatizado em um pipeline
denominado Vaxpipe, desenvolvido em Python, com interfaces acessíveis para
usuários não especializados em bioinformática. Este sistema integra ferramentas de
predição de epítopos imunogênicos, visando acelerar o desenvolvimento racional de
vacinas. O programa inicia a partir dos alvos vacinais escolhidos, processa todos os
epítopos, monta a proteína recombinante, prevê suas características como
toxicidade, alergenicidade e retorna ao usuário a sequencia da proteína
multiepítopo. Embora os resultados In silico sejam promissores, validações
experimentais In vitro e In vivo são essenciais para confirmar a eficácia do
imunógeno proposto para o gênero Vibrio, como também, todas as proteínas
geradas pelo pipeline “Vaxpipe”. Este trabalho não apenas avança no desenho de
uma vacina de amplo espectro contra vibrioses, mas também estabelece um
protocolo replicável, implementado em um programa robusto e com interface
amigável para aplicação em abordagens similares em patógenos complexos.
Abstract
The genus Vibrio, composed of Gram-negative and predominantly flagellated
bacteria, inhabits coastal aquatic ecosystems such as estuaries and river mouths,
where proliferation is favored by temperatures above 20 °C. While most species
exhibit commensal behavior, some represent significant risks to human health,
causing severe infections transmitted through the ingestion of contaminated water or
seafood or through wound exposure to aquatic environments. These infections,
termed vibriosis, range from self-limiting gastroenteritis to lethal systemic
complications, including septicemia and necrotizing fasciitis, which may necessitate
amputations. Vibrio cholerae stands out as the most prominent pathogen within the
genus, responsible for cholera, an acute diarrheal disease endemic in regions with
poor sanitation. The antigenic diversity and adaptive capacity of these pathogens
demand innovative prophylactic strategies. Multiepitope vaccines consolidate the
most conserved and immunogenic epitopes into a single immunogen, thereby
ensuring broad population coverage against diverse pathogens and enhanced safety
by obviating the use of whole inactivated pathogens or virulence‐associated proteins.
This study proposes an integrated computational approach for the development of a
multi-epitope vaccine against Vibrio, by using 29 complete genomes from 6 species
from the genus and combining reverse vaccinology, which identifies candidate
antigens from genomic data, with immunoinformatics to predict and recombine
immunogenic epitopes. Six conserved antigenic proteins were identified, from which
28 epitopes were predicted: 24 exhibiting simultaneous recognition by cytotoxic T
lymphocytes and B cells, and four recognized by helper T lymphocytes and B cells.
These epitopes were integrated into a synthetic vaccine sequence, designated
vme-VAC/MST-1, designed to display high antigenicity, physicochemical stability, and
absence of toxicity or allergenicity in In silico analyses. Concurrently, the entire
computational process was automated into a pipeline named Vaxpipe, developed in
Python, with user-friendly interfaces accessible to non-bioinformaticians. This system
integrates tools for predicting immunogenic epitopes, aiming to expedite the rational
development of vaccines. The program initiates from selected vaccine targets,
processes all epitopes, assembles the recombinant protein, predicts characteristics
such as toxicity and allergenicity, and returns the sequence of the multi-epitope
protein to the user. While In silico results are promising, experimental validations In
vitro and In vivo are essential to confirm the efficacy of the proposed immunogen
against the Vibrio genus, as well as all proteins generated by the Vaxpipe pipeline.
This work not only advances the design of a broad-spectrum vaccine against
vibriosis but also establishes a replicable protocol, implemented in robust and
user-friendly software for application in similar approaches in complex pathogens.
Assunto
Bioinformática, Vacinologia, Imunoinformática, Vibrio, Cólera
Palavras-chave
Vibrio, Cólera, Vacinologia Reversa, Imunoinformática, Software
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