Frontiers in Immunology

Indledning

Antigenisk variabilitet er karakteriseret ved fremkomsten af sekvensforskellige varianter inden for en art, der cirkulerer mellem værter, inden for værter eller tidsmæssigt på tværs af populationer, for hvilke adaptiv immunitet fremkaldt af én stamme ikke beskytter mod en anden (1). Som et træk, der opstår som følge af værtsimmunresponsets manglende evne til at matche den antigeniske bredde af eller berige sig med begrænsede mål inden for det inficerende patogen, er sekvensdiversitet nødvendig, men ikke tilstrækkelig for antigenisk variabilitet. Sekvensvariabilitet skal også bevares selektivt i epitoper, der er mål for det værtsadaptive immunforsvar, og hvor mutationer giver relativ resistens eller følsomhed over for et værtsspecifikt antistof- eller T-celle-repertoire. Udfordringen i forbindelse med variabilitetsmedieret immunflugt illustreres af den vellykkede indførelse af vacciner mod monoantigene patogener (kopper, mæslinger, fåresyge osv.), men de vedvarende vanskeligheder ved udvikling af vacciner mod variable patogener, herunder hepatitis C-virus (HCV), humant immundefektvirus (HIV), influenza og dengue, som forårsager alvorlige sygdomme, der er karakteriseret ved henholdsvis levercirrhose, immundefekt, lungebetændelse og hæmoragisk feber (2). Selv om mekanismerne for adaptiv variation er forskellige fra virus til virus, konvergerer de mod fire mønstre (figur 1):

i. Generering af en kvasi-artspopulation inden for værten, der er karakteriseret ved et mutantspektrum, der er genereret af høje replikative fejlfrekvenser, som opretholder et reservoir af antigenisk forskellige virioner med varierende modtagelighed over for værtsimmunrespons.

ii. Rumligt og tidsmæssigt defineret antigenområde, der fører til vedvarende frembringelse af varianter, der er resistente over for den regionale værtspopulations eksisterende immunitet.

iii. Spekter af infektionsforstærkende krydsimmunreaktivitet mellem kvasi-arter eller undertyper.

iv. Konserveret, epitop-maskering ved variable immunodominante epitoper, sterisk hindring eller begivenhedsmoduleret konformationel okklusion.

Disse mønstre, som hverken udelukker hinanden eller er udtømmende, er typiske for de presserende udfordringer i forbindelse med udvikling af vacciner, som traditionelle metoder, såsom immunisering med levende svækket, subunit- eller helpartikelinaktiveret virus, fortsat er utilstrækkelige.

Quasi-Species-Mediated Evasion

Quasi-species refererer til individuelle varianter i en mutant diversificeret population (6). Selv om hver kvasi-art er en enkelt replikativ enhed, resulterer heterogene afkom og fylogenetisk konvergens af samtidige kvasi-arter i, at udvælgelsen virker på kvasi-artspopulationer snarere end på diskrete varianter. Fænotyperne påvirkes derfor af populationsstrukturen med interagerende netværk af samarbejds- og krydsreaktivitet, der påvirker både de enkelte varianters og populationsensemblets fitness (7). Positive og negative selektionskræfter former kvasi-artspopulationen, idet sekvensrummet udvides af førstnævnte via immunmedieret diversifikation og begrænses af sidstnævnte, idet stigende mutationsbelastning reducerer mutationsrobustheden hos varianter, der optager distale knudepunkter i populationsnetværket. De enkelte kræfters absolutte bidrag til den genomiske struktur kan beregnes ud fra forholdet mellem synonyme og ikke-synonyme mutationer ved hvert kodonjusteret par, idet replikative funktioner af ikke-strukturelle proteiner (HCV’s NS5b-polymerase) bevares ved stærk negativ selektion (der fjerner selv lægemiddelresistente varianter med reduceret replikativ fitness), og immunodominante epitoper, der er sårbare over for adaptive værtsreaktioner, diversificeres ved de kombinerede virkninger af positiv selektion og iboende funktionel plasticitet (8, 9). Et afgørende træk ved kvasi-artspopulationer er derfor selektivt bevaret variabilitet i regioner, der er udsat for adaptivt immuntryk, hvor populationsdynamikken er formet af den fitness, som mutationer i disse rester giver i forhold til det samlede mutationslandskab af samtidige eller forudgående varianter og deres fremkaldte immunreaktioner.

HIV-1 og HCV, med replikationsfejlrater på henholdsvis 10-4 og 10-3 pr. nukleotid pr. replikation, er prototypiske patogener til undersøgelse af kvasi-artsmedieret immun undvigelse (10). For begge virusser er den indledende diversificering forbundet med antistoffer, der er målrettet mod omslagsglykoprotein, hvilket ændrer fitnesslandskabet til fordel for mindre varianter i mutantreservoiret, der efterfølgende udvides til at blive dominerende kvasi-arter (3). Der er for nylig blevet sat spørgsmålstegn ved dette reduktionistiske mønster med cyklisk immunflugt, ekspansion og udryddelse af dominerende kvasi-arter, idet en mere kompleks dynamik, der involverer netværk af krydsreaktivitet, muligvis bidrager til populationsdynamikken (7). Imidlertid er antistofmedieret positiv selektion af flugtvarianter blevet observeret i både dyremodeller og kliniske omgivelser, med beviser, der konsekvent implicerer stamme-specifik neutralisering ved AB målrettet mod HIV’s (V1V2, C3V4) og HCV’s (HVR1) variable regioner (11, 12). Nylige rapporter antyder, i det mindste for HCV’s vedkommende, at HVR1-defineret kvasi-artsdiversitet i akut infektion forudsiger progression til kronicitet, hvilket bekræfter forholdet mellem populationsdiversitet og fitness, samtidig med at det tyder på, at antigenisk variation ikke kun er et kompenserende resultat af, men også en forberedende mekanisme til, værtens immuntryk (13). Desværre er den begrænsede kvasi-artsspecificitet af neutraliserende antistofresponser (nAB), der fremkaldes ved naturlig infektion, også gældende for vaccination, idet det gentagne gange er lykkedes HIV- og HCV-kandidater at fremkalde nAB-responser mod det homologe vaccineimmunogen, men ikke mod heterologe varianter (14, 15).

Spatiotemporalt defineret antigenisk rum

I modsætning til kvasi-artsformidlet undvigelse, hvor samtidig infektion med flere varianter letter adaptiv flugt inden for værten, udnytter influenza sårbarheder på værtspopulationsniveau i immunhukommelsen via sekventiel, sæsonbestemt generering af flugtvarianter (4). I lighed med kvasi-arter er den antigeniske variation mellem sæsonbestemte varianter imidlertid beriget med immunodominante, stamme-specifikke neutraliserende epitoper (16). Subtyper, der genereres stokastisk via antigenforskydning og -drift, konsolideres med hensyn til fitness af variationer i infektiøsitet, tropisme og krydsimmunoreaktivitet med eksisterende AB på populationsniveau. Ved udvikling af sæsonvacciner prioriteres det derfor at forudsige, hvilken kandidat blandt tidligere beskrevne varianter, der mest effektivt vil fremkalde immunresponser, som vil være krydsneutraliserende over for de cirkulerende varianter hvert år (17). Den fortsatte udfordring med at forudsige sæsonbestemte varianter nøjagtigt og den betydelige risiko for nye pandemiske varianter motiverer udviklingen af universelle vacciner (18). I lighed med HIV og HCV komplicerer immunodominans af de mutationstolerante regioner, i dette tilfælde det globulære hoved af overfladeglykoproteinet hemagglutininin (HA), imidlertid indsatsen (16). Det er opmuntrende, at der blandt voksne med tidligere infektionsinduceret HA AB er blevet observeret et stærkt tilbagekaldelsesrespons, når de udfordres med nye stammer, især dem, der deler neutraliserende epitoper (19). Dette indebærer, at en delvist beskyttende, primed immunitet kan karakterisere gentagen eksponering for variable patogener, hvorved krydsreaktive B-celle receptorer (BCR’er) kan stimuleres af og affinitetsmodnes til nye stammer, hvilket resulterer i successivt øget paratopaffinitet til krydsbevarede, immunogent subdominante epitoper.

Korsreaktivitet, antigenisk samarbejde og antistofafhængig forstærkning

Promiskuøs binding af AB fremkaldt af et antigen til et andet kan være beskyttende, infektionsforstærkende eller begge dele i varierende omfang, afhængigt af det antigeniske rum. Eksempler på førstnævnte karakteriserer bredt nAB (bnAB), som via paratopinteraktion med konserverede rester, der er kritiske for viral indgang, vilkårligt binder og neutraliserer en population af antigenisk forskellige varianter (20). Infektionsfremmende antistoffer er derimod rettet mod krydsreaktive epitoper med varierende affinitet, idet de undertiden neutraliserer varianter med høj affinitet, mens de gennem rekruttering af mål for viralt tropisme letter indtrængning af varianter med lav affinitet (5). Uanset de præcise mekanismer tyder de varierende bidrag fra epitopspecificitet, tilgængelighed og virionmodning ved successiv infektion med forskellige dengue-subtyper på, at den immunologiske sekvens efter AB-binding, baseret på Fc-medierede effektorfunktioner og paratopaffinitet (koff/kon) til målrettede epitop(er), snarere end blot den steriske besættelse af receptorbindende domæner, formidler neutralisering (5). Omstændige bidrag til antistofmedieret neutralisering blandt kvasi-artsstrukturerede virale populationer strækker sig ud over værtens immunmediatorer til sekvensrummet inden for værten og det tilsvarende netværk af krydsreaktivitet. Set ud fra et affinitetsspektrum kan varianter med høj affinitet via berigelse med krydsreaktive AB fungere som antigeniske altruister ved at lette persistensen af varianter med lavere affinitet, for hvilke den kvasi-artsspecifikke affinitetsmodning er blevet frustreret (7). Observationer af reduceret antigenisk diversifikation og øget negativ selektion under kronisk HCV-infektion, kombineret med flerårig persistens af intrahost-varianter og kvasi-arts-subpopulationer, understøtter en model for antigenisk samarbejde, hvorved den krydsreaktive struktur af sekvensrummet i sig selv beskytter intrahost-populationen mod AB-neutralisering (21).

Conserved Epitope Masking

Bevarelse af fysiokemiske mønstre, strækninger med lav Shannon-entropi, høj negativ selektion og omfattende konvergent evolution, som antydes af bred krydsreaktivitet, tyder på, at selv blandt antigenisk variable vira er antigenisk bevarelse nødvendig for at bevare fitness (21, 22). Det dobbelte selektive pres for funktionel bevarelse og immunforsvar bevarer et fælles antigenmønster på tværs af variable vira, som er kendetegnet ved mutationstolerante, immunodominante epitoper, der dækker over konserverede, konformationelt eller glykosyleringsmæssigt okkluderede, neutraliserende domæner (23-25). HCV, HIV og influenza udviser dette mønster, hvor bnAB, som allerede er en minoritet i det humorale respons, funktionelt er begrænset af den lave tilgængelighed af målrettede epitoper eller det begrænsede neutraliseringsvindue, der er givet ved receptorbindingsinduceret konformationsændring (6). Den igangværende forskning i kortlægning af de antigeniske determinanter for bred neutralisering og fremkaldelse af de komplementære antistoffer, enten gennem omvendt vaccineforskning eller trunkering af variable epitoper fra vaccineimmunogener, danner grundlag for rationel vaccineudformning (26). Imidlertid tyder udfordringer med at genskabe affinitetsmodning gennem omvendt vaccinologi, reduceret immunogenicitet af immunogener, der er slettet med variable epitoper, og okklusion af konserverede epitoper in situ på, at effektiv vaccineudformning for antigenisk variable patogener måske skal være rettet mod, snarere end at omgå de hypervariable epitoper.

Perspektiv

Krydsreaktivitet er nødvendig, men ikke tilstrækkelig for et beskyttende AB-respons, der er rettet mod variable epitoper. For at løse infektion i et antigenisk konvergent sekvensrum skal krydsreaktiv AB også binde neutraliserende epitoper med lav paratop-affinitet-varians på tværs af isolater (figur 2).

Da mindre fysisk-kemiske variationer kan ændre paratop: epitop-interaktion, kan sidstnævnte krav forklare, hvorfor vedvarende infektion er blevet tilskrevet netværk af krydsreaktivitet og deres fremkomne træk, såsom antigenisk altruisme, et fænomen, hvorved samarbejde mellem krydsreaktive varianter øger befolkningens fitness på bekostning af “offervarianter”, der fortrinsvis er målrettet mod værtens immunrespons (7). Dette krav kan også forklare, hvordan der på trods af omfattende krydsreaktivitet af variable epitopmålrettede immunresponser ved kronisk HCV- og HIV-infektion opstår neutraliseringsresistente flugtmutanter: deres reducerede affinitet til krydsreaktiv AB bringer de stoikiometriske krav til neutralisering i fare (27). Mekanistisk set tyder dette fænomen på, at et kriterium for bredt beskyttende responser over for variable patogener er induktion af AB, der uden forskel er rettet mod fysisk-kemisk konvergerende signaturer inden for sekvensvariable epitoper.

Eviden fra både kliniske kohorter og prækliniske modeller understøtter muligheden for at biasere affinitetsmodning til konserverede signaturer inden for variable epitoper. Blandt patienter, der er kronisk inficeret med HCV, er længden af eksponeringen for antigenisk forskellige kvasi-arter forbundet med udviklingen af bnAB, der er rettet mod begrænsede rester, hvilket tyder på, at gentagen eksponering for variable domæner delvist dæmper immunodominans og forskyder affinitetsmodning mod bedre konserverede, mere konsistent præsenterede epitoper (28). Det er også blevet observeret, at polyvalente malariavaccinkandidater øger neutraliseringsbredden ved at påvirke immunresponset i retning af konserverede rester (29). In silico-modeller, der er i overensstemmelse med kliniske resultater, beskriver dette fænomen i form af nedsat fitness blandt klonale lineager med høj BCR-affinitet til fysisk-kemisk variable, snarere end konserverede rester (30). Specifikt udvidede en øget allelisk inklusion i en multivalent vaccineformulering kryds-stræner malarianeutralisering ved at øge det humorale respons på både bevarede og polymorfe sider af malarias apikale membranantigen 1 (30). Disse resultater antyder, at selektion for øget nAB-bredde efter multivalent vaccination kan være operativ inden for, snarere end udelukkende mellem, antigeniske domæner og kan derfor være forenelig med et enkelt-variabelt epitop, der erstatter antigenet i fuld længde som den funktionelle immunogene enhed.

Indiskrimineret inddragelse af varianter i polyvalente formuleringer ville sandsynligvis rekapitulere begivenhederne i naturlig infektion, der fører til stamme-specifik neutralisering eller, endnu værre, antistof-afhængig forstærkning via induktion af krydsreaktivt antistof med affinitet under neutraliseringstærskelværdien (31). Kriteriet om inddragelse af flere undertyper eller maksimering af sekvensbredden i tidligere multivalente HCV-kandidater kan derfor være forkert (32). Alternativt kan udvælgelse af varianter baseret på deres fysisk-kemiske, snarere end sekvensspecifikke eller fylogenetiske diversitet, fremskynde den immunfrustration, der postuleres at favorisere induktion af bredt reaktiv, lav-affinitetsvarians AB.

Slutbemærkninger

Rationale vaccinedesign begynder med en hypotese, informeret af kliniske data, dyremodeller og in vitro-analyser, der beskriver et beskyttende immunrespons. For hypervariable vira er disse reaktioner ligesom for andre patogener mangefacetterede og involverer koordinering på tværs af medfødt, cellulær og humoralt immunitet (33). Det er af afgørende betydning, at en beskyttende vaccine ikke har til opgave direkte at stimulere hver enkelt bestanddel af et vellykket immunrespons, men at identificere og derefter øge det formidlende trin, som primært hindres ved naturlig infektion. Blandt variable patogener er denne mediator variabilitetsbaseret humoral evasion (2). For at undgå denne tilpasning skal en beskyttende vaccine inducere bredt reaktive antistoffer med lav affinitetsvarians, som er rettet mod sterisk tilgængelige, neutraliserende epitoper. Selv om sidstnævnte krav, der er baseret på multiple-hit-hypotesen, som beskriver reducerede støkiometriske krav til neutralisering af tilgængelige epitoper i forhold til kryptiske epitoper, indebærer variable, tilgængelige epitoper som kandidat-immunogener, tyder førstnævnte på evolutionært begrænsede epitoper (27). For at løse disse konkurrerende krav ville en ideel vaccine fremkalde neutraliserende antistoffer, der på tilsvarende vis er rettet mod variable epitoper ved at genkende fysiokemisk konserverede, snarere end stammespecifikke, rester.

Data Availability Statement

De originale bidrag, der er præsenteret i undersøgelsen, er inkluderet i artiklen/det supplerende materiale, yderligere forespørgsler kan rettes til den tilsvarende forfatter.

Author Contributions

Forfatteren bekræfter at være den eneste bidragyder til dette arbejde og har godkendt det til offentliggørelse.

Interessekonflikter

Forfatteren erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller finansielle relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.

Abkortninger

HCV, hepatitis C-virus; HIV, humant immundefektvirus; AB, antistof; HVR1, hypervariabel region 1; nAB, neutraliserende antistof; HA, hæmagglutininin; BCR, B-celle-receptorer; bnAB, bredt nAB; AMA1, Ag apical membran antigen-1.