Fronteras en Inmunología

Introducción

La variabilidad antigénica se caracteriza por la aparición de variantes de secuencia distintas dentro de una especie, que circulan entre huéspedes, dentro de los huéspedes o temporalmente entre poblaciones, para las que la inmunidad adaptativa provocada por una cepa no protege contra otra (1). La diversidad de secuencias es necesaria, pero no suficiente, para la variabilidad antigénica, ya que es una característica que surge de la incapacidad de la respuesta inmunitaria del hospedador para adaptarse a la amplitud antigénica del patógeno infeccioso o para enriquecerse con objetivos limitados dentro de él. La variabilidad de secuencias también debe preservarse selectivamente en los epítopos a los que se dirige la respuesta inmunitaria adaptativa del huésped y en los que las mutaciones confieren una resistencia o sensibilidad relativa a un anticuerpo o repertorio de células T específico del huésped. El reto que supone el escape inmunológico mediado por la variabilidad queda ejemplificado por la exitosa introducción de vacunas para patógenos monoantigénicos (viruela, sarampión, paperas, etc.), pero la persistente dificultad en el desarrollo de vacunas para patógenos variables, como el virus de la hepatitis C (VHC), el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), la gripe y el dengue, que causan graves enfermedades caracterizadas por cirrosis hepática, inmunodeficiencia, neumonía y fiebre hemorrágica, respectivamente (2). Aunque los mecanismos de variación adaptativa difieren entre los virus, convergen en cuatro patrones (Figura 1):

i. Generación de una población cuasi-específica intrahostal caracterizada por un espectro mutante generado por altas tasas de error replicativo que mantiene un reservorio de viriones antigénicamente distintos con susceptibilidad variable a la respuesta inmunitaria del huésped.

ii. Espacio antigénico definido espacialmente que conduce a la generación persistente de variantes resistentes a la inmunidad existente de la población regional del huésped.

iii. Espectros de inmunorreactividad cruzada que potencian la infección entre cuasiespecies o subtipos.

iv. Conservación, enmascaramiento de epítopos por epítopos inmunodominantes variables, impedimento estérico u oclusión conformacional modulada por eventos.

Aunque no son mutuamente excluyentes ni exhaustivos, estos patrones tipifican los desafíos urgentes en el desarrollo de vacunas para los que los enfoques tradicionales, como la inmunización con virus vivos atenuados, subunidades o partículas enteras inactivadas, siguen siendo inadecuados.

Evasión mediada por cuasiespecies

Las cuasiespecies se refieren a variantes individuales en una población diversificada mutante (6). Aunque cada cuasiespecie es una única unidad replicativa, la progenie heterogénea y la convergencia filogenética de cuasiespecies contemporáneas dan lugar a que la selección actúe sobre las poblaciones de cuasiespecies, en lugar de las variantes discretas. Por lo tanto, los fenotipos están influenciados por la estructura de la población, con redes interactivas de cooperatividad y reactividad cruzada que influyen en la aptitud tanto de las variantes individuales como del conjunto de la población (7). Las fuerzas de selección positiva y negativa dan forma a la población cuasi-específica, con un espacio de secuencias ampliado por la primera, a través de la diversificación mediada por el sistema inmunitario, y limitado por la segunda, ya que el aumento de la carga mutacional reduce la robustez mutacional de las variantes que ocupan nodos distales en la red de la población. La contribución absoluta de cada fuerza a la estructura genómica puede ser aproximada por la proporción de mutaciones sinónimas y no sinónimas en cada par alineado de codones, con funciones replicativas de proteínas no estructurales (la polimerasa NS5b del VHC) preservadas por una fuerte selección negativa (que purga incluso las variantes resistentes a los fármacos con una aptitud replicativa reducida), y epítopos inmunodominantes vulnerables a las respuestas adaptativas del huésped diversificados por los efectos combinados de la selección positiva y la plasticidad funcional inherente (8, 9). Una característica crucial de las poblaciones cuasi-específicas es, por tanto, la variabilidad selectivamente preservada en las regiones expuestas a las presiones inmunitarias adaptativas, con una dinámica poblacional moldeada por la aptitud conferida por las mutaciones en esos residuos en relación con el paisaje mutacional total de las variantes contemporáneas o precedentes y sus respuestas inmunitarias provocadas.

El VIH-1 y el VHC, con tasas de error replicativo de 10-4 y 10-3 por nucleótido por replicación, respectivamente, son patógenos prototípicos para estudiar la evasión inmunitaria mediada por cuasi-especies (10). Para ambos virus, la diversificación inicial se asocia con los anticuerpos que se dirigen a la glicoproteína de la envoltura, que alteran el paisaje de la aptitud para favorecer las variantes menores en el reservorio mutante que posteriormente se expanden para convertirse en cuasiespecies dominantes (3). Este patrón reduccionista de escape inmunológico cíclico, expansión y eliminación de las cuasiespecies dominantes ha sido cuestionado recientemente, con una dinámica más compleja que implica redes de reactividad cruzada que posiblemente contribuyan a la dinámica de la población (7). Sin embargo, se ha observado una selección positiva mediada por anticuerpos de las variantes de escape tanto en modelos animales como en entornos clínicos, con pruebas que implican sistemáticamente la neutralización específica de la cepa mediante AB dirigidos a las regiones variables del VIH (V1V2, C3V4) y del VHC (HVR1) (11, 12). Informes recientes sugieren, al menos en el caso del VHC, que la diversidad cuasi-específica definida por el HVR1 en la infección aguda predice la progresión hacia la cronicidad, corroborando la relación entre la diversidad de la población y la aptitud, al tiempo que sugiere que la variación antigénica no es sólo un resultado compensatorio de la presión inmunitaria del huésped, sino un mecanismo preparatorio de la misma (13). Desgraciadamente, la restringida especificidad cuasi-específica de las respuestas de anticuerpos neutralizantes (nAB) provocadas por la infección natural se extiende a la vacunación, ya que los candidatos al VIH y al VHC consiguen repetidamente provocar respuestas nAB al inmunógeno homólogo de la vacuna, pero no a las variantes heterólogas (14, 15).

Espacio antigénico definido espacialmente

A diferencia de la evasión mediada por cuasiespecies, en la que la infección concurrente con múltiples variantes facilita el escape adaptativo intrahostal, la gripe explota las vulnerabilidades a nivel de población del huésped en la memoria inmunitaria mediante la generación secuencial y estacional de variantes de escape (4). Sin embargo, al igual que ocurre con las cuasiespecies, la variación antigénica entre las variantes estacionales está enriquecida en epítopos neutralizantes inmunodominantes y específicos de la cepa (16). Los subtipos generados estocásticamente a través del cambio antigénico y la deriva se consolidan, en términos de aptitud, por las variaciones en la infectividad, el tropismo y la inmunorreactividad cruzada con los AB existentes a nivel de población. Por lo tanto, el desarrollo de vacunas estacionales tiene como prioridad predecir qué candidato, entre las variantes previamente descritas, inducirá más eficazmente respuestas inmunitarias que serán neutralizantes cruzadas con las variantes circulantes cada año (17). El reto actual de predecir con precisión las variantes estacionales y el riesgo significativo de que surjan variantes pandémicas motivan el desarrollo de vacunas universales (18). Sin embargo, al igual que ocurre con el VIH y el VHC, la inmunodominancia de las regiones tolerantes a las mutaciones, en este caso la cabeza globular de la hemaglutinina (HA) de superficie, complica los esfuerzos (16). Resulta alentador que entre los adultos con HA AB inducida por una infección previa, se haya observado una fuerte respuesta de recuerdo cuando se les desafía con nuevas cepas, especialmente las que comparten epítopos neutralizantes (19). Esto implica que una inmunidad parcialmente protectora y cebada puede caracterizar la exposición repetida a patógenos variables, por lo que los receptores de células B (BCR) de reactividad cruzada pueden ser estimulados por las nuevas cepas y madurar su afinidad hacia ellas, lo que da lugar a una afinidad paratopo sucesivamente mejorada hacia epítopos inmunológicamente subdominantes y conservados de forma cruzada.

Reactividad cruzada, cooperación antigénica y potenciación dependiente de anticuerpos

La unión promiscua de AB provocada por un antígeno a otro puede ser protectora, potenciadora de la infección o ambas, en distintos grados, dependiendo del espacio antigénico. Los ejemplos de lo primero caracterizan a los AB de amplio espectro (bnAB), que, a través de la interacción paratópica con residuos conservados críticos para la entrada viral, se unen indiscriminadamente y neutralizan una población de variantes antigénicamente diversas (20). Los anticuerpos potenciadores de la infección, por el contrario, se dirigen a epítopos de reactividad cruzada con afinidades variables, neutralizando a veces las variantes de alta afinidad mientras que, mediante el reclutamiento de objetivos de tropismo viral, facilitan la entrada de variantes de baja afinidad (5). A pesar de los mecanismos precisos, las contribuciones variables de la especificidad del epítopo, la accesibilidad y la madurez del virión en la infección sucesiva por diferentes subtipos de dengue sugieren que la secuencia inmunológica que sigue a la unión del AB, basada en las funciones efectoras mediadas por Fc y la afinidad del paratopo (koff/kon) al epítopo o epítopos objetivo, en lugar de simplemente la ocupación estérica de los dominios de unión al receptor, media la neutralización (5). Las contribuciones circunstanciales a la neutralización mediada por anticuerpos, entre poblaciones virales estructuradas en cuasi-especies, se extienden más allá de los mediadores inmunitarios del huésped al espacio de secuencias intrahostales y la correspondiente red de reactividad cruzada. Consideradas en un espectro de afinidad, las variantes de alta afinidad pueden, a través del enriquecimiento con AB de reactividad cruzada, funcionar como altruistas antigénicos facilitando la persistencia de variantes de menor afinidad a las que se ha frustrado la maduración de afinidad cuasi-específica (7). Las observaciones sobre la reducción de la diversificación antigénica y el aumento de la selección negativa durante la infección crónica por el VHC, junto con la persistencia durante varios años de variantes intrahost y subpoblaciones cuasiespecíficas, apoyan un modelo de cooperación antigénica por el que la propia estructura de reacción cruzada del espacio de secuencias protege a la población intrahost de la neutralización AB (21).

Enmascaramiento del epítopo conservado

La conservación de los patrones fisicoquímicos, los tramos de baja entropía de Shannon, la alta selección negativa y la amplia evolución convergente, sugerida por la amplia reactividad cruzada, indican que, incluso entre los virus antigénicamente variables, se requiere la conservación antigénica para preservar la aptitud (21, 22). Las presiones selectivas duales para la conservación funcional y la evasión inmunitaria preservan un patrón antigénico común entre los virus variables, marcado por epítopos inmunodominantes tolerantes a las mutaciones que enmascaran dominios neutralizantes conservados, conformados o glicosilados (23-25). El VHC, el VIH y la gripe presentan este patrón, con el bnAB, que ya es una minoría de la respuesta humoral, funcionalmente limitado por la baja accesibilidad de los epítopos objetivo o la ventana de neutralización limitada que ofrece el cambio conformacional inducido por la unión del receptor (6). La investigación en curso sobre el mapeo de los determinantes antigénicos de la neutralización amplia y la obtención de los anticuerpos complementarios, ya sea a través de la vacunación inversa o el truncamiento de los epítopos variables de los inmunógenos de la vacuna, proporciona una base para el diseño racional de la vacuna (26). Sin embargo, las dificultades para reconstituir la maduración por afinidad a través de la vacunación inversa, la inmunogenicidad reducida de los inmunógenos con epítopos variables eliminados y la oclusión de epítopos conservados in situ sugieren que el diseño de vacunas eficaces para patógenos antigénicamente variables puede necesitar dirigirse a los epítopos hipervariables, en lugar de sortearlos.

Perspectiva

La reactividad cruzada es necesaria pero no suficiente para una respuesta AB protectora dirigida a epítopos variables. Para resolver la infección en un espacio de secuencias antigénicamente convergentes, los AB de reactividad cruzada también deben unirse a epítopos neutralizantes con una baja variación de paratoafinidad entre los aislados (Figura 2).

Dado que las variaciones fisicoquímicas menores pueden alterar la interacción paratopo: epítopo, este último requisito puede explicar por qué la infección persistente se ha atribuido a las redes de reactividad cruzada y a sus características emergentes, como el altruismo antigénico, un fenómeno por el que la cooperación entre las variantes de reactividad cruzada aumenta la aptitud de la población a expensas de las variantes «sacrificables» a las que se dirigen preferentemente las respuestas inmunitarias del huésped (7). Este requisito también puede explicar cómo, a pesar de la amplia reactividad cruzada de las respuestas inmunitarias dirigidas a epítopos variables en la infección crónica por el VHC y el VIH, surgen mutantes de escape resistentes a la neutralización: su afinidad reducida a los AB de reactividad cruzada pone en peligro los requisitos estequiométricos para la neutralización (27). Desde el punto de vista mecánico, este fenómeno sugiere que uno de los criterios para las respuestas ampliamente protectoras frente a patógenos variables es la inducción de AB dirigidos indiscriminadamente a firmas fisicoquímicamente convergentes dentro de los epítopos variables de la secuencia.

La evidencia procedente tanto de cohortes clínicas como de modelos preclínicos apoya la viabilidad de sesgar la maduración de la afinidad hacia firmas conservadas dentro de los epítopos variables. Entre los pacientes infectados crónicamente por el VHC, la duración de la exposición a cuasiespecies antigénicamente diversas se asocia con el desarrollo de bnAB dirigidos a residuos restringidos, lo que sugiere que la exposición repetida a dominios variables atenúa parcialmente la inmunodominancia y desplaza la maduración de la afinidad hacia epítopos mejor conservados y presentados de forma más consistente (28). También se ha observado que las vacunas polivalentes contra la malaria aumentan la amplitud de la neutralización al dirigir la respuesta inmunitaria hacia los residuos conservados (29). Los modelos in silico, consistentes con los hallazgos clínicos, describen este fenómeno en términos de una aptitud comprometida entre los linajes clonales con una alta afinidad del BCR hacia residuos físicamente variables, en lugar de conservados (30). Específicamente, el aumento de la inclusión alélica en una formulación de vacuna multivalente amplió el efecto cruzado de la vacuna.entrenar la neutralización de la malaria potenciando la respuesta humoral a las caras conservadas y polimórficas del antígeno de membrana apical 1 de la malaria (30). Estos hallazgos implican que la selección para una mayor amplitud de NAB tras la vacunación multivalente puede ser operativa dentro de los dominios antigénicos, y no sólo entre ellos, y por tanto puede ser compatible con un epítopo de una sola variable que sustituya al antígeno completo como unidad inmunógena funcional.

La inclusión indiscriminada de variantes en las formulaciones polivalentes probablemente recapitularía los acontecimientos de la infección natural que conducen a la neutralización específica de la cepa o, peor aún, a la potenciación dependiente de los anticuerpos a través de la inducción de anticuerpos de reacción cruzada con afinidad por debajo del umbral de neutralización (31). Por lo tanto, el criterio de inclusión de multisubtipos o de maximización de la amplitud de la secuencia en anteriores candidatos multivalentes contra el VHC puede ser erróneo (32). Alternativamente, la selección de variantes basada en su diversidad fisicoquímica, en lugar de la específica de la secuencia o la filogenética, puede acelerar la frustración inmunitaria postulada para favorecer la inducción de una varianza AB ampliamente reactiva y de baja afinidad.

Observaciones finales

El diseño de la vacuna racional comienza con una hipótesis, informada por datos clínicos, modelos animales y ensayos in vitro, que describe una respuesta inmunitaria protectora. En el caso de los virus hipervariables, al igual que otros patógenos, estas respuestas son multifacéticas e implican la coordinación de la inmunidad innata, celular y humoral (33). Es fundamental que la función de una vacuna protectora no sea estimular directamente cada uno de los componentes de una respuesta inmunitaria satisfactoria, sino identificar, y luego aumentar, el paso mediador que está principalmente obstruido en la infección natural. Entre los patógenos variables, ese mediador es la evasión humoral basada en la variabilidad (2). Para evitar esta adaptación, una vacuna protectora tendría que inducir anticuerpos ampliamente reactivos y de baja variabilidad que se dirijan a epítopos estéricamente accesibles y neutralizantes. Aunque este último requisito, basado en la hipótesis del impacto múltiple que describe los requisitos estequiométricos reducidos para la neutralización de epítopos accesibles en relación con los crípticos, implica epítopos variables y accesibles como candidatos a inmunógenos, el primero sugiere epítopos evolutivamente limitados (27). Para resolver estos requisitos contrapuestos, una vacuna ideal provocaría anticuerpos neutralizantes que se dirigieran de forma equivalente a los epítopos variables mediante el reconocimiento de residuos fisioquímicamente conservados, en lugar de específicos de la cepa.

Declaración de disponibilidad de datos

Las contribuciones originales presentadas en el estudio se incluyen en el artículo/material suplementario, las consultas adicionales pueden dirigirse al autor correspondiente.

Contribuciones del autor

El autor confirma ser el único contribuyente de este trabajo y lo ha aprobado para su publicación.

Conflicto de intereses

El autor declara que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.

Abreviaturas

VHC, virus de la hepatitis C; VIH, virus de la inmunodeficiencia humana; AB, anticuerpo; HVR1, región hipervariable 1; nAB, anticuerpo neutralizante; HA, hemaglutinina; BCR, receptores de células B; bnAB, ampliamente nAB; AMA1, antígeno de membrana apical de Ag-1.