Pôvodný antigénny hriech: odvrátená strana imunologickej pamäte a dôsledky pre C-19
https://journals.asm.org/doi/full/10.1128/mSphere.00056-21
ABSTRAKT
Koncepcia pôvodného antigénového hriechu (OAS) bola predložená pred mnohými rokmi na vysvetlenie toho, ako humorálna pamäťová odpoveď vytvorená proti jednému súboru antigénov môže ovplyvniť povahu protilátkových odpovedí vyvolaných na vyvolanie infekcií alebo očkovania obsahujúceho podobný, ale nie identický súbor antigénov. V tejto práci poukazujeme na spojenie medzi OAS a reakciou zárodočného centra (GCR), čo je proces jedinečný pre aktivované B bunky, ktoré prechádzajú somatickou hypermutáciou a rekombináciou prepínačov tried. Práve silná odpoveď aktivovaných pamäťových B buniek a sprievodná GCR vytvárajú základy OAS. Tieto koncepty aplikujeme na súčasnú pandémiu C-19 a predkladáme niekoľko možných scenárov, podľa ktorých môže OAS viesť k prospešným alebo škodlivým výsledkom v hypotetickej závislosti od predchádzajúcej expozície antigénom spoločným pre SARS-CoV-2 a sezónne ľudské koronavírusy (hCoV), ktoré zahŕňajú betakoronavírusy (napr, HCoV-OC43 a HCoV-HKU1) a alfakoronavírusy (napr. HCoV-NL63 a HCoV-HKU1) (E. M. Anderson, E. C. Goodwin, A. Verma, C. P. Arevalo a kol, medRxiv, 2020, https://doi.org/10.1101/2020.11.06.20227215; S. M. Kissler, C. Tedijanto, E. Goldstein, Y. H. Grad a M. Lipsitch, Science 368:860-868, 2020, https://doi.org/10.1126/science.abb5793).
NÁZOR/HYPOTÉZA
Rýchlosť a špecifickosť imunologickej pamäte sú základom dlhodobej, získanej imunity a vakcinológie. Sila pamäte má však svoju cenu. Tá cena? Pamäťová odpoveď vyvolaná na podobný, ale nie identický súbor antigénov (napr. nová expozícia príbuznému, ale antigénne vzdialenému patogénu) môže byť potenciálne menej účinná ako odpoveď vyvolaná v neprítomnosti pamäte (1–4). Je to možné, pretože pamäťové bunky B produkujúce protilátky s vysokou afinitou a špecificitou vytvorené po primárnej expozícii jednej podskupine antigénov môžu zabrániť alebo výrazne utlmiť reakcie naivných buniek B na nové antigény, ak sú súčasťou profilu, ktorý zahŕňa antigény prítomné počas primárnej expozície (5, 6). Toto nie je problém, ak pamäťová odpoveď produkuje neutralizujúce protilátky proti antigénom spojeným so sekundárnou expozíciou; problémy však vznikajú, ak pamäťové bunky B produkujú neutralizujúce protilátky proti antigénom spoločným pre primárnu a sekundárnu expozíciu, ako sa nedávno uvádzalo u ľudí vystavených príbuzným ľudským koronavírusom (hCoV) a neskôr infikovaných SARS-CoV-2 (7, 8). V takomto scenári môže byť pamäťová odpoveď nielenže neúčinná, ale môže aj významne oslabovať odpoveď novo aktivovaných B-buniek, ktoré by mohli účinne reagovať na nové antigény, ktoré chýbajú v pôvodnej primingovej udalosti. Prevažujúca odpoveď pamäťových B buniek na príbuzné antigény, ktorá môže brániť naivným B bunkám s odlišnými a prípadne neutralizujúcimi špecifikami účinne reagovať na nový podnet, je známa ako pôvodný antigénny hriech (OAS), čo je biblický odkaz naznačujúci, že imunitný systém je viazaný "hriechom" svojho prvého imprintingu na cieľ (1, 2). Napríklad ľudia infikovaní chrípkovými vírusmi H1N1 v detstve (a teda imprintovaní týmto súborom antigénov/epitopov) boli neskôr v živote chránení proti infekciám príbuzným vírusom, ako je H5N1, ale nie proti infekciám vzdialenejším príbuzným vírusom H3N2 (3, 9, 10).
Nedávno bola ako alternatíva k OAS navrhnutá hypotéza označovaná ako "antigénová seniorita" (11). Antigénna seniorita vysvetľuje dominantné protilátkové reakcie ako dôsledok opakovaných expozícií tomu istému antigénu (antigénom), a nie prvej antigénovej expozície alebo imprintingu, ktorý je základným princípom OAS (6). Tieto rozdiely však nie sú pre túto diskusiu dôležité, keďže OAS aj antigénnu senioritu spája ich spoločný menovateľ: reakcia zárodočného centra (GCR). V tejto časti sa zaoberáme imunologickými základmi OAS, najmä pokiaľ ide o tvorbu a následnú selekciu vysokoafinitných B-buniek počas GCR, a tým, ako by tieto procesy mohli byť prospešné alebo škodlivé v kontexte C-19, pričom treba mať na pamäti, že bez sily imunologickej pamäte by OAS neexistovala.
ČÍM SA LÍŠI GENEROVANIE ODPOVEDÍ B BUNIEK A T BUNIEK? REAKCIA ZÁRODOČNÉHO CENTRA (GCR)
Je dôležité poznamenať, že včasný vývoj B buniek a T buniek, pilierov získanej imunity, prebieha paralelne (12). Oba typy buniek pochádzajú zo spoločnej pluripotentnej progenitorovej bunky a po tom, ako si "vyberú" svoju príslušnú vývojovú cestu, oba preskupia gény tak, aby produkovali buď antigén-špecifické receptory B buniek (BCR alebo protilátky v ich vylučovanej forme; rozpoznávajú trojrozmerné štruktúry), alebo receptory T buniek (TCR; rozpoznávajú peptidy v kontexte hlavných molekúl histokompatibility) (12). Okrem toho oba typy buniek prechádzajú podobnými selekčnými procesmi, ktoré zabezpečujú, že väčšina buniek vychádzajúcich z kostnej drene (B-bunky) a týmusu (T-bunky) je primárne reaktívna na antigény, s ktorými sa ešte nestretli a ktoré pochádzajú z patogénu (13–17). Tým sa podobnosti končia.
Po prvé, naivné T-lymfocyty, ktoré vychádzajú z týmusu, sú prítomné po celý život, takže tymektómia po puberte nemá významný vplyv na repertoár T-lymfocytov človeka (12). Naopak, väčšina naivných B buniek, ktoré sa každý deň objavia z kostnej drene, na periférii neprežijú a tie, ktoré sa objavia, prežijú len krátko, ak sa nestretnú so svojím kognátnym antigénom (12, 18). Repertoár B-buniek sa preto neustále obnovuje. Po druhé, čo je pre OAS najdôležitejšie, T-bunky úspešne vychádzajúce z prísneho procesu selekcie v týmuse už nikdy nemusia prežiť druhú zmenu usporiadania svojich génov TCR (12).
Naopak, naivné B bunky aktivované po ligácii ich kognátnych antigénov prostredníctvom BCR (a ďalej aktivované signálmi prijatými pomocnými T bunkami) vstupujú do GCR, aby sa podrobili afinitnému dozrievaniu, procesu, ktorého cieľom je zvýšiť afinitu aktivovaných B buniek k ich kognátnym antigénom (6, 19). Bunky B tu podstupujú opakované kolá somatickej hypermutácie riadenej enzýmom cytidíndeaminázou indukovanou aktiváciou (AID), ktorá zavádza mutácie v cytidínových horúcich bodoch nachádzajúcich sa predovšetkým vo variabilných doménových sekvenciách génu BCR v nádeji, že zavedie priaznivé mutácie na zvýšenie afinity protilátky k jej aktivačnému antigénu (6, 20). Po každom pokuse o somatickú hypermutáciu B bunky v rámci GCR medzi sebou súťažia a len tie klony, ktoré opakovane získajú priaznivé mutácie svojej BCR, prežijú viacero kôl cez rukavicu GCR (19). Nakoniec sa objaví len niekoľko vybraných jedincov, ktorí prežili tento strastiplný darwinovský selekčný proces a produkujú vysokoafinitné protilátky. Po akomkoľvek ďalšom vystavení ich príbuznému antigénu sa tieto B-bunky reaktivujú a rýchlo odpovedajú, ale často až po prežití novej GCR a ďalších kôl selekcie (19), čo vedie k novej podskupine B-buniek exprimujúcich BCR s ešte vyššou afinitou ako predtým. Afinita BCR k špecifickým antigénom sa teda mení po postprimárnych expozíciách tomu istému antigénu, zatiaľ čo afinita klonu T-buniek k ich príbuznému antigénu sa nikdy nemení. Toto je pozorovateľné na zvýšenom počte mutácií v porovnaní so zárodočnou sekvenciou v rámci variabilných doménových sekvencií génov BCR po opakovaných cykloch vakcinácie alebo infekcie (12, 20).
ODVRÁTENÁ STRANA PAMÄTE: PÔVOD PÔVODNÉHO ANTIGÉNOVÉHO HRIECHU (OAS)
Pamäť sa nikdy nestavia do úlohy "zlého chlapca"; napokon je to práve sila imunologickej pamäte, ktorá nás chráni pred opätovnou infekciou tým istým patogénom, ak sa po primárnej expozícii alebo očkovaní vyvolá neutralizačná imunita. Problémy s OAS sa začínajú po expozícii príbuznému kmeňu patogénu, ktorý má podobný, ale nie identický panel antigénov (t.j. väčšiu antigénnu vzdialenosť/odlišnosť) (3). Je dôležité si uvedomiť, že OAS nemôže nastať bez GCR: OAS existuje, pretože B bunky, ktoré prežili GCR, exprimujú BCR s takou vysokou afinitou, že naivné B bunky so špecifickosťou k novým antigénom, ktoré dostávajú aktivačné signály prostredníctvom svojej BCR po prvýkrát, budú mať malú šancu úspešne konkurovať ostrieľaným pamäťovým B bunkám, ktoré sa aktivujú pri nižších prahových hodnotách signalizácie po opätovnej expozícii ich príbuznému antigénu, nezávisle od toho, že pamäťové a naivné B bunky v tomto scenári majú pravdepodobne BCR s rôznymi špecifickosťami (4, 19). Preto ak pamäťové B bunky reagujú na infekciu príbuzným, ale antigénne vzdialeným patogénom, pamäťová odpoveď môže byť nielen neúčinná, ale môže aj znížiť účinnosť naivných B buniek schopných produkovať neutralizačné protilátky (5). Táto potenciálna nevýhoda pamäte sa musí zohľadniť pri snahe navrhnúť vakcíny, aby zloženie vakcíny nevyvolalo imunologický neúspech, ktorý by znemožnil vyvolanie ochrannej imunity, alebo aby sa pochopila tvorba ochrannej alebo nechránenej imunity voči novému kmeňu patogénu. Tento scenár sa nedávno odohral po uvedení vakcíny proti ľudskému papilomavírusu (HPV) Gardasil 9, ktorá obsahuje štyri antigény prítomné v pôvodnej vakcíne Gardasil a ďalších päť nových antigénov. Jedinci predtým očkovaní vakcínou Gardasil, ktorí boli neskôr očkovaní vakcínou Gardasil 9, mali slabé reakcie na päť nových antigénov prítomných vo vakcíne Gardasil 9 v porovnaní s jedincami očkovanými vakcínou Gardasil 9, ktorí neboli predtým vystavení vakcíne Gardasil (21).
V súvislosti s návrhom vakcíny bola predložená hypotéza antigénnej vzdialenosti, ktorá má vysvetliť, ako rozdiely v účinnosti vakcíny ovplyvňuje vzdialenosť alebo príbuznosť predchádzajúcich kmeňov vakcíny (22). To znamená, že ak je antigénna vzdialenosť príslušných vakcín väčšia ako antigénna vzdialenosť cirkulujúcich kmeňov vírusu, účinnosť je ohrozená (3, 22). Nedávny príklad sa vyskytol počas chrípkovej sezóny 2014–15, keď nové glykozylačné miesto získané cirkulujúcim kmeňom H3N2 chýbalo v očkovacích kmeňoch (3). Dospelí, ktorí sa predtým v detstve infikovali chrípkovými kmeňmi s nedostatkom tejto glykozylácie, vyvolali silné reakcie proti vakcinačnému kmeňu, ale boli nedostatočne imunologicky vybavení na prevenciu infekcie glykozylovaným izolátom H3N2 z rokov 2014–15 (23–25).
ÚLOHA OAS PRI INFEKCII SARS-CoV-2 A IMUNITA
Na obrázku 1 sú znázornené tri hypotetické scenáre, ktoré by sa mohli odohrať po infekcii vírusom SARS-CoV-2 v kontexte predchádzajúcej expozície príbuznému hCoV. Prvá expozícia hCoV (napr. betakoronavírusom, ako sú HCoV-OC43 a HCoV-HKU1, alebo alfakonoronavírusom HCoV-NL63 a HCoV-HKU1, u ktorých sa preukázal stupeň antigénnej podobnosti) bude mať za následok aktiváciu klonov buniek B reagujúcich na modré, fialové a zelené antigény, ktoré sú jedinečné pre hCoV (26). Každý z týchto klonov B buniek bude aktivovaný súčasne a prežije svoje príslušné GCR, čo bude mať za následok vznik troch odlišných pamäťových línií B buniek.
obr. 1 Vplyv OAS na účinnosť imunitnej odpovede. OAS je ovplyvnená nielen časovým priebehom expozície antigénu, ale aj "zbierkou" antigénov spojených s expozíciou. (A) Expozícia hCoV (príbuzným vírusom, ako sú HCoV-OC43, HCoV-HKU1, HCoV-NL63 a HCoV-HKU1) pripravuje imunitný systém na modré, fialové a zelené antigény. Výsledkom budú dlhodobo žijúce pamäťové bunky B so špecificitou na tieto antigény, resp. opakovaná expozícia hCoV bude mať za následok silnú protilátkovú odpoveď na každý z týchto antigénov. SARS-CoV-2 exprimuje rovnaký zelený antigén hCoV a dva nové antigény, žltý a červený. Pamäťová odpoveď proti zeleným B-bunkám zabráni alebo výrazne obmedzí schopnosť naivných B-buniek so špecifickosťou voči žltým a červeným antigénom vyvíjať sa. V tomto scenári je protilátka proti zelenému antigénu ochranná; takže zatiaľ čo OAS zabránila/obmedzila vyvolanie protilátok so špecificitou voči žltému a červenému antigénu, pamäťová odpoveď proti zelenému antigénu poskytuje určitú úroveň ochrany proti infekcii SARS-CoV-2. (B) Tento scenár je totožný so scenárom opísaným pre panel A s tou výnimkou, že antizelená odpoveď vyvolaná proti hCoV nie je neutralizujúca pre SARS-CoV-2. V tomto príklade je pamäťová reakcia na zelenú farbu nechránená a zároveň inhibuje/interferuje so schopnosťou vytvoriť novú reakciu na žlté a červené antigény, ktoré by potenciálne mohli poskytnúť ochranu. (C) Tento scenár znázorňuje dve samostatné expozície. Keďže hCoV a SARS-CoV-2 nemajú spoločné antigény, reakcia proti SARS-CoV-2 bude primárnou expozíciou, ktorá nebude pozitívne ani negatívne ovplyvnená predchádzajúcou expozíciou hCoV.
Najlepší scenár zahŕňa predchádzajúcu expozíciu hCoV, ktoré majú spoločný ochranný epitop (zelený) identický alebo veľmi podobný tomu, ktorý exprimuje SARS-CoV-2 (obr. 1A). Odpoveď anti-Green vyvolaná v tomto prípade príslušným hCoV poskytuje určitú úroveň ochrany, pretože protilátky anti-Green sú neutralizujúce voči infekcii SARS-CoV-2. Napríklad protilátky vytvorené proti konzervatívnej doméne, ako je podjednotka hrotového glykoproteínu S2, by mohli poskytnúť skríženú ochrannú imunitu voči hCoV a SARS-CoV-2 (26). V tejto súvislosti Ng a kol. (26) demonštrovali scenár podobný tomu, ktorý je opísaný na obr. 1A, pričom SARS-CoV-2 bol neutralizovaný in vitro pomocou protilátok prítomných v sére jedincov neinfikovaných SARS-CoV-2, ktorí boli predtým vystavení hCoV (21). Z dôvodu OAS sa pravdepodobne nevytvoria žiadne významné odpovede proti červeným a žltým antigénom SARS-CoV-2, pretože antizelená pamäťová odpoveď je taká obrovská, že vyvolanie prirodzenej antičervenej a antižltej odpovede je znemožnené alebo výrazne oslabené. Na účely tejto diskusie nezáleží na tom, či sú červené alebo žlté antigény zachované alebo nie, ani na tom, či protilátky vytvorené proti červeným alebo žltým antigénom sú neutralizujúce alebo nie, pretože princípom na obrázku 1A je dominantná a prevažujúca pamäťová/GCR odpoveď na zelený antigén. Ako sa tu ukázalo, na to, aby bola OAS prospešná, musí byť expozícia antigénom vyvolávajúcim ochrannú imunitu rovnaká alebo podobná medzi primárnou a sekundárnou expozíciou aj mimo nej (3). Ak by k expozícii červeným a žltým antigénom došlo v neprítomnosti zeleného antigénu, imunitná odpoveď na čele s naivnými B bunkami neobmedzenými antizelenou pamäťovou B bunkovou odpoveďou by vstúpila do GCR, po ktorej by nasledovalo vytvorenie antičervenej a žltej pamäte.
Scenár znázornený na obrázku 1B predstavuje najhorší prípad v kontexte imunity proti infekcii SARS-CoV-2 z dvoch dôvodov: (i) protilátky produkované pamäťovými B bunkami reagujúcimi na zelený antigén SARS-CoV-2 nie sú ochranné a (ii) sila pamäťovej reakcie stimulovanej zeleným antigénom môže brániť vyvolaniu potenciálne neutralizujúcich protilátok proti červeným a žltým antigénom špecifickým pre SARS-CoV-2. Tento scenár je obzvlášť znepokojujúci, ak je potenciálne ochranná odpoveď na receptorovú väzbovú doménu (RBD) SARS-CoV-2 (napr. červené alebo žlté antigény na obr. 1B) tlmená v dôsledku OAS (27). Okrem toho, pokiaľ je prítomný nechránený zelený antigén, je nepravdepodobné, že sa po prirodzenej expozícii SARS-CoV-2 časom vyvinie neutralizačná imunita. Anderson a kol. opísali tento scenár tým, že preukázali, že skrížene reagujúce, ale neutralizujúce protilátky proti SARS-CoV-2 boli prítomné približne u 20% ľudí vystavených hCoV pred začiatkom epidémie SARS-CoV-2 (16,2% malo protilátky proti proteínu SARS-CoV-2-N a 4,2% proti proteínu SARS-CoV-2-S) (7). To vyvoláva otázku: existuje v niektorých cirkulujúcich hCoV ekvivalent zeleného antigénu, ktorý nielenže vyvoláva tvorbu nenutralizujúcich/neprotektívnych protilátok, ale v dôsledku OAS bráni aj vyvolaniu ochranných protilátkových reakcií po infekcii SARS-CoV-2?
Prítomnosť nenutralizujúcich, ale skrížene reagujúcich protilátok proti antigénom SARS-CoV-2 v prepandemických vzorkách séra pripomína, že detekcia protilátkového podpisu sa nerovná ochrane pred infekciou. Stačí sa pozrieť na skríženú ochrannú imunitu alebo jej nedostatok v kontexte infekcií vírusom dengue. Infekcia jedným zo štyroch sérotypov vírusu dengue vyvoláva neutralizačnú protilátkovú odpoveď len proti tomuto sérotypu (28). Takéto protilátky nielenže vo všeobecnosti nie sú neutralizačné voči ostatným trom sérotypom, ale môžu aj zhoršiť výsledky tým, že urýchľujú vstrebávanie vírusu dengue do ľudských buniek prostredníctvom mechanizmu posilnenia závislého od protilátok (antibody-dependent enhancement – ADE). Hoci OAS zohráva úlohu v ADE, v súčasnosti sa nezdá, že by zohrávala úlohu pri uľahčovaní vychytávania SARS-CoV-2. Preto používame ADE ako pripomienku, že nie všetky protilátkové reakcie sú užitočné a niektoré môžu byť škodlivé (29–31).
Scenár znázornený na obr. 1C nezahŕňa pamäť. V tomto scenári nie sú medzi hCoV a SARS-CoV-2 spoločné žiadne antigény. To znamená, že imunita voči SARS-CoV-2 by sa vyvíjala bez prekážok a bez pomoci OAS, čo by snáď časom viedlo k vyvolaniu neutralizačných protilátkových reakcií na antigény špecifické pre SARS-CoV-2.
ZVÁŽENIE OAS PRE VÝVOJ VAKCÍNY
Budúce štúdie v rôznych populáciách a vekových skupinách určia vplyv OAS v kontexte C-19. Nedávne údaje naznačujú, že scenáre opísané na obrázkoch 1A a B sú možné v kontexte SARS-CoV-2 a predchádzajúcej expozície hCoV (7, 8, 32, 33).
Vplyv OAS na vyvolanie ochrannej imunity by sa pri vývoji vakcín nemal ignorovať. Výber kandidáta alebo kandidátov na vakcínu, ktorí sú príliš podobní antigénom, ktoré už "vidí" celá populácia, by mohol mať za následok tri rôzne výsledky: (i) "spätné posilnenie" alebo zvýšenú ochrannú imunitu vyplývajúcu z druhého kola GCR v reakcii na spoločné antigény medzi primárnou a sekundárnou expozíciou (obr. 1A) (34), (ii) posilnenie nechránenej protilátkovej odpovede (obr. 1B) alebo (iii) v kontexte viaczložkovej očkovacej látky maskovanie ochrannej odpovede proti niektorým zložkám očkovacej látky, ak iné antigény v zložke boli predtým "videné" populáciou, ako sa pozorovalo pri Gardasile 9 (obr. 1B) (21).
OAS je dvojsečná zbraň pamäte: môže poskytnúť cestu k ochrane proti novému kmeňu patogénu alebo vytvoriť prekážku pre vyvolanie ochrannej imunity. Čo to znamená pre C-19, sa ešte len musí úplne určiť, ale tento dôležitý dôsledok obrovskej sily imunologickej pamäte a špecifickosti sa musí zohľadniť pri hodnotení imunity na úrovni populácie a účinnosti vakcíny.