Frontiers in Immunology

Einführung

Antigene Variabilität ist gekennzeichnet durch das Auftreten sequenziell unterschiedlicher Varianten innerhalb einer Spezies, die zwischen Wirten, innerhalb von Wirten oder zeitlich über Populationen hinweg zirkulieren, wobei die durch einen Stamm ausgelöste adaptive Immunität nicht gegen einen anderen schützt (1). Da die Wirtsimmunreaktion nicht in der Lage ist, die antigene Breite des infizierenden Erregers zu erfassen oder sich an begrenzte Ziele innerhalb des Erregers anzureichern, ist die Sequenzvielfalt für die antigene Variabilität notwendig, aber nicht ausreichend. Die Sequenzvariabilität muss auch selektiv in Epitopen erhalten bleiben, auf die die wirtsspezifische Immunantwort abzielt und in denen Mutationen eine relative Resistenz oder Empfindlichkeit gegenüber einem wirtsspezifischen Antikörper- oder T-Zell-Repertoire verleihen. Die Herausforderung der durch Variabilität vermittelten Immunabwehr wird durch die erfolgreiche Einführung von Impfstoffen gegen monoantigene Krankheitserreger (Pocken, Masern, Mumps usw.) veranschaulicht, aber auch durch die anhaltenden Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Impfstoffen gegen variable Krankheitserreger, einschließlich des Hepatitis-C-Virus (HCV), des Humanen Immundefizienz-Virus (HIV), der Influenza und des Dengue-Fiebers, die schwere Krankheiten wie Leberzirrhose, Immunschwäche, Lungenentzündung bzw. hämorrhagisches Fieber verursachen (2). Obwohl sich die Mechanismen der adaptiven Variation zwischen den Viren unterscheiden, konvergieren sie in vier Mustern (Abbildung 1):

i. Erzeugung einer Quasi-Spezies-Population innerhalb des Wirts, die durch ein Mutantenspektrum gekennzeichnet ist, das durch hohe Replikationsfehlerraten erzeugt wird, die ein Reservoir antigenisch unterschiedlicher Virionen mit unterschiedlicher Anfälligkeit für die Immunantwort des Wirts aufrechterhalten.

ii. Räumlich und zeitlich definierter antigener Raum, der zur ständigen Erzeugung von Varianten führt, die gegen die bestehende Immunität der regionalen Wirtspopulation resistent sind.

iii. Spektren von infektionsverstärkender Kreuzimmunreaktivität zwischen Quasi-Spezies oder Subtypen.

iv. Konservative Epitop-Maskierung durch variable immundominante Epitope, sterische Hinderung oder ereignismodulierte konformative Okklusion.

Diese Muster schließen sich weder gegenseitig aus noch sind sie erschöpfend, sie sind jedoch typisch für dringende Herausforderungen bei der Impfstoffentwicklung, für die herkömmliche Ansätze wie die Immunisierung mit lebenden abgeschwächten Viren, Untereinheiten oder inaktivierten Viren in Form ganzer Partikel unzureichend bleiben.

Quasi-Species-Mediated Evasion

Quasi-Species beziehen sich auf einzelne Varianten in einer mutierten diversifizierten Population (6). Obwohl jede Quasi-Spezies eine einzige replikative Einheit ist, führen heterogene Nachkommen und phylogenetische Konvergenz gleichzeitiger Quasi-Spezies dazu, dass die Selektion eher auf Quasi-Spezies-Populationen als auf diskrete Varianten wirkt. Phänotypen werden daher von der Populationsstruktur beeinflusst, wobei interagierende Netzwerke von Kooperativität und Kreuzreaktivität die Fitness sowohl einzelner Varianten als auch der Populationsgesamtheit beeinflussen (7). Positive und negative Selektionskräfte formen die Quasi-Artenpopulation, wobei der Sequenzraum durch erstere über immunvermittelte Diversifizierung erweitert und durch letztere eingeschränkt wird, da die zunehmende Mutationslast die Mutationsrobustheit von Varianten an entfernten Knotenpunkten im Populationsnetzwerk verringert. Der absolute Beitrag jeder Kraft zur genomischen Struktur kann durch das Verhältnis von synonymen zu nichtsynonymen Mutationen an jedem Codon-Paar dargestellt werden, wobei die replikativen Funktionen von Nicht-Strukturproteinen (HCVs NS5b-Polymerase) durch eine starke negative Selektion (die sogar arzneimittelresistente Varianten mit reduzierter replikativer Fitness entfernt) erhalten bleiben und immundominante Epitope, die für adaptive Wirtsreaktionen anfällig sind, durch die kombinierten Auswirkungen von positiver Selektion und inhärenter funktioneller Plastizität diversifiziert werden (8, 9). Ein entscheidendes Merkmal von Quasi-Spezies-Populationen ist daher die selektiv erhaltene Variabilität in Regionen, die dem Druck des adaptiven Immunsystems ausgesetzt sind, wobei die Populationsdynamik durch die Fitness bestimmt wird, die durch Mutationen in diesen Resten im Verhältnis zur gesamten Mutationslandschaft gleichzeitiger oder vorhergehender Varianten und der von ihnen ausgelösten Immunreaktionen entsteht.

HIV-1 und HCV mit Replikationsfehlerraten von 10-4 bzw. 10-3 pro Nukleotid und Replikation sind prototypische Pathogene für die Untersuchung der Quasi-Spezies-vermittelten Immunumgehung (10). Bei beiden Viren ist die anfängliche Diversifizierung mit Antikörpern verbunden, die auf das Hüllglykoprotein abzielen und die Fitness-Landschaft so verändern, dass kleinere Varianten im Mutantenreservoir begünstigt werden, die sich anschließend zu dominanten Quasi-Spezies ausbreiten (3). Dieses reduktionistische Muster der zyklischen Immunflucht, Ausbreitung und Beseitigung dominanter Quasi-Spezies wurde kürzlich in Frage gestellt, wobei eine komplexere Dynamik mit Netzwerken von Kreuzreaktivität möglicherweise zur Populationsdynamik beiträgt (7). Eine antikörpervermittelte positive Selektion von Escape-Varianten wurde jedoch sowohl in Tiermodellen als auch im klinischen Umfeld beobachtet, wobei durchweg Hinweise auf eine stammspezifische Neutralisierung durch AB gegen die variablen Regionen von HIV (V1V2, C3V4) und HCV (HVR1) vorliegen (11, 12). Jüngste Berichte deuten zumindest im Fall von HCV darauf hin, dass die durch HVR1 definierte Quasi-Artenvielfalt bei einer akuten Infektion das Fortschreiten der Chronifizierung vorhersagt, was die Beziehung zwischen Populationsvielfalt und Fitness bestätigt und gleichzeitig darauf hindeutet, dass die Antigenvariation nicht nur ein kompensatorisches Ergebnis, sondern auch ein vorbereitender Mechanismus für den Immundruck des Wirts ist (13). Leider erstreckt sich die eingeschränkte Quasi-Spezies-Spezifität der neutralisierenden Antikörper (nAB), die durch natürliche Infektionen ausgelöst werden, auch auf Impfungen, wobei HIV- und HCV-Kandidaten wiederholt erfolgreich nAB-Antworten auf das homologe Impfstoff-Immunogen auslösen, nicht aber auf heterologe Varianten (14, 15).

Raumzeitlich definierter Antigenraum

Im Gegensatz zur Quasi-Spezies-Evasion, bei der die gleichzeitige Infektion mit mehreren Varianten die adaptive Flucht innerhalb des Wirts erleichtert, nutzt die Influenza Schwachstellen des Immungedächtnisses auf Wirtspopulationsebene durch die sequentielle, saisonale Generierung von Fluchtvarianten aus (4). Ähnlich wie bei Quasi-Spezies ist die antigene Variation zwischen saisonalen Varianten jedoch mit immundominanten, stammspezifischen neutralisierenden Epitopen angereichert (16). Subtypen, die stochastisch durch Antigenshift und -drift entstehen, werden im Hinblick auf ihre Fitness durch Variationen der Infektiosität, des Tropismus und der Kreuzimmunreaktivität mit bestehenden AB auf Populationsebene konsolidiert. Bei der Entwicklung saisonaler Impfstoffe geht es daher vorrangig darum, vorherzusagen, welcher Kandidat unter den bereits beschriebenen Varianten am wirksamsten Immunantworten auslösen wird, die jedes Jahr kreuzneutralisierend auf die zirkulierenden Varianten wirken (17). Die anhaltende Herausforderung, saisonale Varianten genau vorherzusagen, und das erhebliche Risiko des Auftretens pandemischer Varianten motivieren zur Entwicklung von Universalimpfstoffen (18). Ähnlich wie bei HIV und HCV erschwert jedoch die Immundominanz der mutationstoleranten Regionen, in diesem Fall der globuläre Kopf des Oberflächenglykoproteins Hämagglutinin (HA), die Bemühungen (16). Ermutigend ist, dass bei Erwachsenen mit früherer infektionsinduzierter HA AB eine starke Rückrufreaktion beobachtet wurde, wenn sie mit neuen Stämmen konfrontiert wurden, insbesondere mit solchen, die neutralisierende Epitope aufweisen (19). Dies deutet darauf hin, dass eine teilweise schützende, vorbereitete Immunität die wiederholte Exposition gegenüber variablen Erregern charakterisieren kann, wobei kreuzreaktive B-Zell-Rezeptoren (BCRs) durch neue Stämme stimuliert werden können und deren Affinität zu neuen Stämmen reift, was zu einer sukzessiv erhöhten Paratop-Affinität zu kreuzkonservierten, immunogen subdominanten Epitopen führt.

Kreuzreaktivität, Antigen-Kooperation und antikörperabhängige Verstärkung

Die von einem Antigen ausgelöste Bindung von AB an ein anderes kann je nach Antigenraum in unterschiedlichem Ausmaß schützend, infektionsfördernd oder beides sein. Ersteres trifft auf broadly nAB (bnAB) zu, die über eine Paratop-Interaktion mit konservierten Resten, die für den viralen Eintritt kritisch sind, wahllos eine Population von antigenisch unterschiedlichen Varianten binden und neutralisieren (20). Im Gegensatz dazu richten sich infektionsfördernde Antikörper gegen kreuzreaktive Epitope mit unterschiedlicher Affinität, wobei sie manchmal Varianten mit hoher Affinität neutralisieren, während sie durch die Rekrutierung von Zielen des viralen Tropismus den Eintritt von Varianten mit niedriger Affinität erleichtern (5). Ungeachtet der genauen Mechanismen deuten die unterschiedlichen Beiträge von Epitopspezifität, Zugänglichkeit und Virionenreife bei aufeinanderfolgenden Infektionen durch verschiedene Dengue-Subtypen darauf hin, dass die immunologische Sequenz nach der AB-Bindung, die auf Fc-vermittelten Effektor-Funktionen und der Affinität der Paratope (koff/kon) zu den Ziel-Epitopen beruht, und nicht einfach die sterische Besetzung der Rezeptor-Bindungsdomänen die Neutralisierung vermittelt (5). Indizielle Beiträge zur Antikörper-vermittelten Neutralisierung bei quasi-spezifisch strukturierten Viruspopulationen gehen über die Immunmediatoren des Wirts hinaus und erstrecken sich auf den Sequenzraum innerhalb des Wirts und das entsprechende Netzwerk der Kreuzreaktivität. Betrachtet man das Affinitätsspektrum, so können Varianten mit hoher Affinität durch Anreicherung mit kreuzreaktivem AB als antigene Altruisten fungieren, indem sie die Persistenz von Varianten mit niedrigerer Affinität erleichtern, für die eine quasi-spezifische Affinitätsreifung nicht möglich war (7). Die Beobachtungen einer verringerten antigenen Diversifizierung und einer verstärkten negativen Selektion während einer chronischen HCV-Infektion in Verbindung mit der mehrjährigen Persistenz von Intrahost-Varianten und Quasi-Spezies-Subpopulationen unterstützen ein Modell der antigenen Kooperation, bei dem die kreuzreaktive Struktur des Sequenzraums selbst die Intrahost-Population vor der Neutralisierung durch AB schützt (21).

Konservierte Epitop-Maskierung

Die Erhaltung physiochemischer Muster, Abschnitte mit niedriger Shannon-Entropie, hoher negativer Selektion und extensiver konvergenter Evolution, die durch eine breite Kreuzreaktivität nahegelegt werden, deuten darauf hin, dass selbst bei antigenisch variablen Viren eine antigenische Konservierung zur Erhaltung der Fitness erforderlich ist (21, 22). Der doppelte Selektionsdruck zur Funktionserhaltung und Immunumgehung bewahrt ein gemeinsames antigenes Muster bei variablen Viren, das durch mutationstolerante, immundominante Epitope gekennzeichnet ist, die konservierte, konformationell oder glykosyltechnisch verschlossene, neutralisierende Domänen verdecken (23-25). HCV, HIV und Influenza weisen dieses Muster auf, wobei bnAB, das bereits eine Minderheit der humoralen Antwort darstellt, durch die geringe Zugänglichkeit der gezielten Epitope oder das begrenzte Neutralisierungsfenster, das durch die rezeptorbindungsinduzierte Konformationsänderung entsteht, funktionell eingeschränkt ist (6). Laufende Forschungsarbeiten zur Kartierung der antigenen Determinanten einer breiten Neutralisierung und zur Gewinnung der komplementären Antikörper, entweder durch Reverse-Vaccinologie oder durch Trunkierung variabler Epitope von Impfstoff-Immunogenen, bieten eine Grundlage für die Entwicklung rationaler Impfstoffe (26). Die Herausforderungen bei der Rekonstruktion der Affinitätsreifung durch Reverse-Vaccinologie, die reduzierte Immunogenität von Immunogenen, bei denen variable Epitope entfernt wurden, und die Okklusion konservierter Epitope in situ deuten jedoch darauf hin, dass ein wirksames Impfstoffdesign für antigenvariable Erreger eher auf die hypervariablen Epitope abzielen muss, als diese zu umgehen.

Perspektive

Kreuzreaktivität ist notwendig, aber nicht ausreichend für eine schützende AB-Antwort, die auf variable Epitope abzielt. Um eine Infektion in einem antigenisch konvergenten Sequenzraum aufzulösen, müssen kreuzreaktive AB auch neutralisierende Epitope mit geringer Paratop-Affinitäts-Varianz zwischen Isolaten binden (Abbildung 2).

Angesichts der Tatsache, dass geringfügige physikalisch-chemische Variationen die Interaktion zwischen Paratop und Epitop verändern können, könnte die letztgenannte Anforderung erklären, warum persistente Infektionen auf Netzwerke von Kreuzreaktivität und deren neue Merkmale zurückgeführt werden, wie z. B. antigener Altruismus, ein Phänomen, bei dem die Zusammenarbeit zwischen kreuzreaktiven Varianten die Fitness der Population auf Kosten von „Opfer“-Varianten erhöht, die bevorzugt von der Immunantwort des Wirts angegriffen werden (7). Dieses Erfordernis könnte auch erklären, warum trotz umfangreicher Kreuzreaktivität der auf variable Epitope abzielenden Immunantworten bei chronischer HCV- und HIV-Infektion neutralisierungsresistente Escape-Mutanten entstehen: Ihre geringere Affinität zu kreuzreaktivem AB gefährdet die stöchiometrischen Anforderungen für die Neutralisierung (27). Dieses Phänomen deutet darauf hin, dass ein Kriterium für eine breit angelegte Schutzreaktion auf variable Erreger die Induktion von AB ist, die unterschiedslos auf physikochemisch konvergente Signaturen innerhalb variabler Epitope abzielen.

Sowohl klinische Kohorten als auch präklinische Modelle belegen die Möglichkeit, die Affinitätsreifung auf konservierte Signaturen innerhalb variabler Epitope zu lenken. Bei Patienten, die chronisch mit HCV infiziert sind, ist die Dauer der Exposition gegenüber antigenisch unterschiedlichen Quasi-Spezies mit der Entwicklung von bnAB verbunden, das auf eingeschränkte Reste abzielt, was darauf hindeutet, dass die wiederholte Exposition gegenüber variablen Domänen die Immundominanz teilweise abschwächt und die Affinitätsreifung auf besser konservierte, konsistentere Epitope verlagert (28). Es wurde auch beobachtet, dass polyvalente Malaria-Impfstoffkandidaten die Breite der Neutralisierung erhöhen, indem sie die Immunantwort auf konservierte Reste lenken (29). In-silico-Modelle, die mit den klinischen Befunden übereinstimmen, beschreiben dieses Phänomen in Form einer eingeschränkten Fitness bei klonalen Linien mit hoher BCR-Affinität zu physikochemisch variablen statt konservierten Resten (30). Insbesondere die zunehmende Einbeziehung von Allelen in eine multivalente Impfstoffformulierung führte zu einer Ausweitung der Cross-Sdie Malaria-Neutralisierung trainieren, indem sie die humorale Reaktion sowohl auf konservierte als auch auf polymorphe Seiten des apikalen Membranantigens 1 der Malaria verstärken (30). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Selektion für eine verstärkte nAB-Breite nach einer multivalenten Impfung innerhalb von Antigen-Domänen und nicht nur zwischen Antigen-Domänen stattfinden kann und daher mit einem einzigen variablen Epitop, das das Antigen in voller Länge als funktionelle Immunogeneinheit ersetzt, vereinbar sein könnte.

Die unterschiedslose Aufnahme von Varianten in polyvalente Formulierungen würde wahrscheinlich die Vorgänge bei einer natürlichen Infektion rekapitulieren, die zu einer stammspezifischen Neutralisierung oder, schlimmer noch, zu einer Antikörper-abhängigen Verstärkung durch Induktion kreuzreaktiver Antikörper mit einer Affinität unterhalb der Neutralisierungsschwelle führen (31). Das Kriterium der Einbeziehung von Multisubtypen oder der Maximierung der Sequenzbreite bei früheren multivalenten HCV-Kandidaten könnte daher fehlgeleitet sein (32). Alternativ könnte die Auswahl von Varianten auf der Grundlage ihrer physikochemischen und nicht ihrer sequenzspezifischen oder phylogenetischen Vielfalt die postulierte Immunfrustration beschleunigen, die die Induktion einer breit reaktiven Varianz AB mit niedriger Affinität begünstigt.

Abschließende Bemerkungen

Die Entwicklung von Impfstoffen beginnt mit einer Hypothese, die auf klinischen Daten, Tiermodellen und In-vitro-Tests beruht und eine schützende Immunantwort beschreibt. Bei hypervariablen Viren, wie auch bei anderen Krankheitserregern, sind diese Reaktionen vielschichtig und umfassen die Koordination der angeborenen, zellulären und humoralen Immunität (33). Die Rolle eines schützenden Impfstoffs besteht nicht darin, jeden Bestandteil einer erfolgreichen Immunantwort direkt zu stimulieren, sondern den Vermittlungsschritt zu identifizieren und dann zu verstärken, der bei einer natürlichen Infektion primär behindert wird. Bei variablen Pathogenen ist dieser Vermittler die auf Variabilität basierende humorale Evasion (2). Um diese Anpassung zu verhindern, müsste ein schützender Impfstoff breit reaktive Antikörper mit geringer Affinitätsvarianz induzieren, die auf sterisch zugängliche, neutralisierende Epitope abzielen. Obwohl die letztere Anforderung, die auf der Multiple-Hit-Hypothese beruht, die geringere stöchiometrische Anforderungen für die Neutralisierung zugänglicher Epitope im Vergleich zu kryptischen Epitopen beschreibt, variable, zugängliche Epitope als Immunogenkandidaten impliziert, legt die erstere Anforderung evolutionär eingeschränkte Epitope nahe (27). Um diese konkurrierenden Anforderungen zu lösen, würde ein idealer Impfstoff neutralisierende Antikörper hervorrufen, die in gleicher Weise auf variable Epitope abzielen, indem sie physiochemisch konservierte und nicht stammspezifische Reste erkennen.

Datenverfügbarkeitserklärung

Die in der Studie präsentierten Originalbeiträge sind im Artikel/Ergänzungsmaterial enthalten, weitere Anfragen können an den korrespondierenden Autor gerichtet werden.

Autorenbeiträge

Der Autor bestätigt, der alleinige Verfasser dieser Arbeit zu sein und hat sie zur Veröffentlichung freigegeben.

Interessenkonflikt

Der Autor erklärt, dass die Forschung ohne jegliche kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Abkürzungen

HCV, Hepatitis-C-Virus; HIV, humanes Immunschwächevirus; AB, Antikörper; HVR1, hypervariable Region 1; nAB, neutralisierender Antikörper; HA, Hämagglutinin; BCR, B-Zell-Rezeptoren; bnAB, broadly nAB; AMA1, Ag apical membrane antigen-1.