Frontiers in Immunology

Introduction

Antigeenivaihtelulle on ominaista sekvenssiltään erillisten varianttien ilmaantuminen lajin sisällä, isäntien välillä, isäntien sisällä tai populaatioiden välillä, joiden osalta yhden kannan aiheuttama adaptiivinen immuniteetti ei suojaa toiselta kannalta (1). Sekvenssidiversiteetti on välttämätöntä mutta ei riittävää antigeenisen vaihtelun kannalta, koska isännän immuunivaste ei kykene vastaamaan tartunnan aiheuttajan antigeeniseen laajuuteen tai rikastuttamaan tartunnan aiheuttajan sisällä olevia rajoitettuja kohteita. Sekvenssivaihtelun on myös säilyttävä valikoivasti epitoopeissa, joihin isännän adaptiivinen immuunivaste kohdistuu ja joissa mutaatiot aiheuttavat suhteellista resistenssiä tai herkkyyttä isännän spesifiselle vasta-aine- tai T-solurepertuaarille. Esimerkkinä vaihtelevuuden aiheuttaman immuunipakoilun haasteesta voidaan mainita, että rokotteet on otettu onnistuneesti käyttöön monoantigeenisiä patogeenejä (isorokko, tuhkarokko, sikotauti jne.) vastaan, mutta rokotteiden kehittämisessä on edelleen vaikeuksia vaihtelevia patogeenejä vastaan, kuten hepatiitti C -virusta (HCV), ihmisen immuunikatovirusta (HIV), influenssaa ja dengueta, jotka aiheuttavat vakavia tauteja, joille on ominaista maksakirroosi, immuunikato, keuhkokuume ja verenpurkautumishäiriö (2). Vaikka adaptiivisen variaation mekanismit vaihtelevat virusten välillä, ne lähenevät neljää mallia (kuva 1):

i. Isännän sisäisen kvasilajipopulaation syntyminen, jolle on ominaista suuren replikaatiovirheiden määrän synnyttämä mutanttispektri, joka ylläpitää antigeenisesti erilaisten virionien varantoa, joilla on vaihteleva alttius isännän immuunivasteelle.

ii. Spatiotemporaalisesti määritelty antigeeninen tila, joka johtaa alueellisen isäntäpopulaation olemassa olevalle immuniteetille vastustuskykyisten varianttien jatkuvaan syntymiseen.

iii. Infektiota voimistavan risti-immunoreaktiivisuuden spektri kvasilajien tai alatyyppien välillä.

iv. Konservoitunut, muuttuvien immunodominanttien epitooppien aiheuttama epitooppien maskeeraus, steerinen este tai tapahtumamoduloitu konformaatiosulkeuma.

Nämä mallit eivät ole toisiaan poissulkevia tai tyhjentäviä, mutta ne ovat tyypillisiä rokotekehityksen kiireellisiä haasteita, joihin perinteiset lähestymistavat, kuten immunisointi elävällä heikennetyllä, alayksikönä toimivalla tai kokonaisen hiukkasen inaktivoidulla viruksella, ovat edelleen riittämättömiä.

Quasi-Species-Mediated Evasion

Quasi-lajit viittaavat yksittäisiin variantteihin mutanttien monimuotoisessa populaatiossa (6). Vaikka jokainen kvasilaji on yksittäinen replikatiivinen yksikkö, heterogeeniset jälkeläiset ja samanaikaisten kvasilajien fylogeneettinen konvergenssi johtavat siihen, että valinta vaikuttaa kvasilajipopulaatioihin pikemminkin kuin erillisiin variantteihin. Populaatiorakenne vaikuttaa siten fenotyyppeihin, ja vuorovaikutteiset yhteistoiminta- ja ristireaktiivisuusverkostot vaikuttavat sekä yksittäisten varianttien että populaatiokokonaisuuden kuntoon (7). Positiiviset ja negatiiviset valintavoimat muokkaavat kvasilajipopulaatiota, ja ensin mainittu laajentaa sekvenssiavaruutta immuunivälitteisen diversifikaation kautta ja jälkimmäinen rajoittaa sitä, kun lisääntyvä mutaatiokuormitus vähentää populaatioverkon kaukaisemmissa solmukohdissa sijaitsevien varianttien mutaatiokestävyyttä. Kunkin voiman absoluuttinen osuus genomirakenteeseen voidaan ilmaista synonyymien ja ei-synonyymien mutaatioiden suhteella kussakin koodoniparissa, jolloin muiden kuin rakenneproteiinien (HCV:n NS5b-polymeraasi) replikatiiviset toiminnot säilyvät voimakkaan negatiivisen valinnan ansiosta (joka poistaa jopa lääkkeille vastustuskykyiset variantit, joilla on heikentynyt replikatiivinen kunto), ja immunodominantit epitoopit, jotka ovat alttiita isännän adaptiivisille vasteille, monipuolistuvat positiivisen valinnan ja luontaisen funktionaalisen plastisuuden yhdistettyjen vaikutusten ansiosta (8, 9). Kvasilajipopulaatioiden ratkaisevana piirteenä on siis valikoivasti säilynyt vaihtelevuus alueilla, jotka ovat alttiina adaptiiviselle immuunipaineelle, ja populaation dynamiikkaa muokkaa kyseisissä residuaaleissa tapahtuvien mutaatioiden aikaansaama kunto suhteessa samanaikaisten tai aiempien varianttien mutaatiomaisemaan ja niistä aiheutuviin immuunivasteisiin.

HIV-1- ja HCV-taudinaiheuttaja, joiden replikaatiovirheiden määrä on 10-4 ja 10-3 nukleotidia kohti replikaatiota kohti, ovat prototyypillisiä patogeenejä, joiden avulla voidaan tutkia kvasi-lajin välityksellä tapahtuvaa immuniteettien kiertämistä (10). Molempien virusten alkuvaiheen monipuolistuminen liittyy kuoriglykoproteiiniin kohdistuviin vasta-aineisiin, jotka muuttavat kuntomaisemaa siten, että ne suosivat vähäisiä variantteja mutanttivarastossa, jotka myöhemmin laajenevat ja muuttuvat hallitseviksi kvasilajeiksi (3). Tämä reduktionistinen malli, jossa vallitsevat kvasilajit pakenevat, laajenevat ja häviävät syklisesti immuunijärjestelmästä, on äskettäin kyseenalaistettu, ja populaation dynamiikkaan vaikuttaa mahdollisesti monimutkaisempi dynamiikka, johon liittyy ristireaktiivisuuden verkostoja (7). Sekä eläinmalleissa että kliinisissä tilanteissa on kuitenkin havaittu vasta-aineiden välittämää pakenevien varianttien positiivista valikoitumista, ja on saatu näyttöä siitä, että HIV:n (V1V2, C3V4) ja HCV:n (HVR1) muuttuviin alueisiin kohdistuvat AB:t neutralisoivat kantakohtaisesti (11, 12). Viimeaikaiset raportit viittaavat ainakin HCV:n tapauksessa siihen, että HVR1:n määrittelemä kvasilajin monimuotoisuus akuutissa infektiossa ennustaa etenemistä kroonisuuteen, mikä vahvistaa populaation monimuotoisuuden ja kunnon välistä suhdetta ja viittaa samalla siihen, että antigeeninen vaihtelu ei ole vain kompensoiva seuraus isännän immuunipaineesta vaan myös sitä valmisteleva mekanismi (13). Valitettavasti luonnollisen infektion aiheuttamien neutraloivien vasta-ainevasteiden (nAB-vasteiden) rajoitettu kvasi-lajispesifisyys koskee myös rokotuksia, sillä HIV- ja HCV-kandidaatit ovat toistuvasti onnistuneet saamaan aikaan nAB-vasteet homologiselle rokoteimmunogeenille, mutta eivät heterologisille muunnoksille (14, 15).

Spatiotemporally Defined Antigenic Space

Toisin kuin kvasilajivälitteinen väistäminen, jossa samanaikainen infektio useilla varianteilla helpottaa isännänsisäistä adaptiivista pakenemista, influenssa hyödyntää isännän populaatiotason haavoittuvuuksia immuunimuistissa synnyttämällä peräkkäin kausiluonteisesti pakenevia varianttia (4). Kvasilajien tapaan kausivarianttien välinen antigeenivaihtelu on kuitenkin rikastunut immunodominanttien, kantaspesifisten neutralisoivien epitooppien suhteen (16). Antigeenisiirtymän ja ajelehtimisen kautta stokastisesti syntyviä alatyyppejä vakiinnutetaan kelpoisuuden kannalta infektiivisyyden, tropismin ja ristiimmunoreaktiivisuuden vaihteluilla olemassa olevan populaatiotason AB:n kanssa. Kausiluonteisen rokotteen kehittämisessä on siksi ensisijaisesti ennustettava, mikä kandidaatti aiemmin kuvattujen varianttien joukosta saa tehokkaimmin aikaan immuunivasteen, joka on ristiinneutralisoiva vuosittain kiertäviin variantteihin nähden (17). Jatkuva haaste kausivarianttien tarkassa ennustamisessa ja pandemiavarianttien merkittävä riski motivoivat kehittämään yleisrokotteita (18). HIV:n ja HCV:n tapaan mutaatioita sietävien alueiden, tässä tapauksessa pintaglykoproteiinin hemagglutiniinin (HA) globulaarisen pään, immunodominanssi vaikeuttaa kuitenkin pyrkimyksiä (16). Rohkaisevaa on, että aikuisilla, joilla on aikaisemman infektion aiheuttama HA AB, on havaittu voimakasta vastetta, kun heitä haastetaan uusilla kannoilla, erityisesti sellaisilla, joilla on yhteisiä neutraloivia epitooppeja (19). Tämä viittaa siihen, että toistuvalle altistumiselle vaihteleville patogeeneille voi olla ominaista osittain suojaava, pohjustettu immuniteetti, jolloin ristiin reagoivat B-solureseptorit (BCR) voivat stimuloitua ja affiniteetti kypsyä uusille kannoille, mikä johtaa peräkkäin lisääntyneeseen paratopin affiniteettiin ristiin säilyviin, immunogeenisesti subdominoiviin epitooppeihin.

Ristireaktiivisuus, antigeeninen yhteistyö ja vasta-aineesta riippuvainen vahvistuminen

Yksi antigeenin aikaansaama AB:n sitoutuminen toiseen antigeeniin voi olla suojaavaa, infektiota lisäävää tai molempia, vaihtelevassa määrin, riippuen antigeenitilasta. Ensin mainittua tapausta kuvaavat laajasti nAB:t (bnAB), jotka paratopin vuorovaikutuksen kautta viruksen sisäänpääsyn kannalta kriittisten konservoitujen jäännösten kanssa sitoutuvat erottelemattomasti ja neutraloivat antigeenisesti erilaisten varianttien populaation (20). Infektiota tehostavat vasta-aineet sen sijaan kohdistuvat ristiin reagoiviin epitooppeihin vaihtelevalla affiniteetilla, ja joskus ne neutraloivat korkean affiniteetin variantteja, kun taas virustrooppisten kohteiden rekrytoinnin kautta ne helpottavat matalan affiniteetin varianttien pääsyä (5). Tarkoista mekanismeista huolimatta epitooppispesifisyyden, saavutettavuuden ja virion kypsyyden vaihteleva osuus eri dengue-alatyyppien peräkkäisissä infektioissa viittaa siihen, että AB:n sitoutumista seuraava immunologinen sekvenssi, joka perustuu Fc-välitteisiin efektoritoimintoihin ja paratooppien affiniteettiin (koff/kon) kohdennettuun epitooppiin (kohdennettuihin epitooppeihin), pikemminkin kuin pelkkään reseptoria sitovien domeenialueiden staattiseen miehitykseen, huolehtii neutraloinnista (5). Vasta-aineiden välityksellä tapahtuvaan neutraloitumiseen vaikuttavat kvasilajirakenteisten viruspopulaatioiden väliset tekijät ulottuvat isännän immuunivälittäjäaineita laajemmalle, isännän sisäiseen sekvenssiavaruuteen ja vastaavaan ristireaktiivisuusverkostoon. Affiniteettispektrin kannalta tarkasteltuna korkea-affiniteettiset variantit voivat ristireagoivien AB:iden rikastumisen kautta toimia antigeenisina altruisteina helpottamalla sellaisten matalamman affiniteetin varianttien pysyvyyttä, joiden kvasilajispesifinen affiniteetin kypsyminen on estynyt (7). Havainnot vähentyneestä antigeenisestä diversifikaatiosta ja lisääntyneestä negatiivisesta valikoitumisesta kroonisen HCV-infektion aikana sekä isännänsisäisten varianttien ja kvasi-lajin alipopulaatioiden monivuotinen pysyvyys tukevat antigeenisen yhteistyön mallia, jossa sekvenssiavaruuden ristireaktiivinen rakenne itsessään suojaa isännänsisäistä populaatiota AB:n neutralisaatiolta (21).

Conserved Epitope Masking

Fysiokemiallisten mallien säilyminen, matalan Shannonin entropian alueet, korkea negatiivinen valinta ja laaja konvergentti evoluutio, johon viittaa laaja ristireaktiivisuus, viittaavat siihen, että jopa antigeenisesti vaihtelevien virusten joukossa edellytetään antigeenin säilymistä kunnon säilyttämiseksi (21, 22). Toiminnallisen säilymisen ja immuunipuolustuksen kaksoisselektiiviset paineet säilyttävät vaihtelevien virusten yhteisen antigeenisen mallin, jolle on ominaista mutaatioita sietävä immunodominantti epitooppi (tai -epitoopit), joka (jotka) peittää (peittävät) konservoituneet, konformaatioltaan tai glykosyyliseltä rakenteeltaan sulkeutuneet neutraloivia domeeneja (23-25). HCV:llä, HIV:llä ja influenssalla on tämä kuvio, ja bnAB, joka on jo nyt humoraalisen vasteen vähemmistö, on toiminnallisesti rajoitettu kohdennettujen epitooppien heikon saavutettavuuden tai reseptorin sitoutumisen aiheuttaman konformaatiomuutoksen tarjoaman rajoitetun neutralointi-ikkunan vuoksi (6). Käynnissä oleva tutkimus laajan neutralisaation antigeenisten determinanttien kartoittamiseksi ja täydentävien vasta-aineiden aikaansaamiseksi joko käänteisrokotuksen tai rokote-immunogeenien muuttuvien epitooppien typistämisen avulla tarjoaa perustan rokotteiden järkevälle suunnittelulle (26). Affiniteettikypsytyksen palauttamiseen käänteisrokotuksen avulla liittyvät haasteet, muuttuvasta epitoopista poistettujen immunogeenien heikentynyt immunogeenisuus ja konservoitujen epitooppien sulkeutuminen in situ viittaavat kuitenkin siihen, että antigeenisesti muuttuvien patogeenien tehokkaan rokotussuunnittelun on ehkä pikemminkin kohdistuttava hypervariaabeliin epitooppiin kuin kierrettävä se.

Perspektiivi

Ristireaktiivisuus on välttämätön, mutta se ei kuitenkaan riitä muuttuviin epitooppeihin kohdistuvalle suojaavalle AB-vasteelle. Jotta infektio voidaan ratkaista antigeenisesti konvergentissa sekvenssiavaruudessa, ristireagoivan AB:n on myös sidottava neutraloivia epitooppeja, joilla on alhainen paratope-affiniteettivarianssi eri isolaateissa (kuva 2).

Koska vähäiset fysikaalis-kemialliset vaihtelut voivat muuttaa paratooppi: epitooppi -vuorovaikutusta, tämä jälkimmäinen vaatimus voi selittää, miksi sitkeän infektion on katsottu johtuvan ristireaktiivisuuden verkostoista ja niiden esiin nousevista piirteistä, kuten antigeenisestä altruismista, ilmiöstä, jossa ristiin reagoivien varianttien yhteistyö lisää populaation kuntoa isännän immuunivasteiden suosiolla kohteena olevien ”uhrautuvien” varianttien kustannuksella (7). Tämä vaatimus voi myös selittää sen, miten huolimatta muuttuviin epitooppeihin kohdistuvien immuunivasteiden laajasta ristireaktiivisuudesta kroonisessa HCV- ja HIV-infektiossa syntyy neutralisaatiolle vastustuskykyisiä pakomutaatioita: niiden vähentynyt affiniteetti ristireaktiiviseen AB:hen vaarantaa neutralisaation stoikiometriset vaatimukset (27). Mekanistisesti tämä ilmiö viittaa siihen, että yksi kriteeri laajasti suojaaville vasteille vaihtelevia patogeenejä vastaan on sellaisten AB:iden indusoiminen, jotka kohdistuvat umpimähkään fysikaalis-kemiallisesti yhteneviin signaaleihin sekvenssiltään vaihtelevien epitooppien sisällä.

Sekä kliinisistä kohorteista että prekliinisistä malleista saadut todisteet tukevat sitä, että on mahdollista ohjata affiniteettikypsytystä vaihtelevien epitooppien sisällä oleviin konservoituneisiin signaaleihin. Kroonisesti HCV-infektoituneilla potilailla antigeenisesti erilaisille kvasilajeille altistumisen pituus liittyy rajoitettuihin residuaaleihin kohdistuvan bnAB:n kehittymiseen, mikä viittaa siihen, että toistuva altistuminen muuttuville domeeneille heikentää osittain immunodominanssia ja siirtää affiniteettikypsytystä kohti paremmin konservoituneita, johdonmukaisemmin esitettyjä epitooppeja (28). Polyvalenttien malariarokotekandidaattien on myös havaittu lisäävän neutralisaation laajuutta suuntaamalla immuunivastetta konservoituihin jäännöksiin (29). Kliinisten löydösten kanssa yhdenmukaiset in silico -mallit kuvaavat tätä ilmiötä siten, että kloonilinjojen, joilla on korkea BCR-affiniteetti fysikaalis-kemiallisesti vaihteleviin, ei niinkään konservoituneisiin, jäännöksiin, kunto on heikentynyt (30). Erityisesti alleelien lisääminen monivalenttisessa rokotevalmisteessa laajensi ristikkäisriskiä.kouluttaa malarian neutralisaatiota tehostamalla humoraalista vastetta malarian apikaalisen kalvoantigeenin 1 sekä konservoituneille että polymorfisille kasvoille (30). Nämä havainnot viittaavat siihen, että monivalenttisen rokotuksen jälkeinen valikoituminen nAB:n laajuuden lisäämiseksi voi tapahtua pikemminkin antigeenialueiden sisällä kuin pelkästään niiden välillä, ja se voi siksi olla yhteensopiva yhden muuttujan epitoopin kanssa, joka korvaa täyspitkän antigeenin funktionaalisena immunogeeniyksikkönä.

Varianttien erottelematon sisällyttäminen polyvalentteihin formulaatioihin toistaisi todennäköisesti luonnollisessa infektiossa tapahtuvia tapahtumia, jotka johtaisivat kantaspesifiseen neutralisaatioon tai, mikä on vielä pahempaa, vasta-aineesta riippuvaiseen tehostumiseen indusoimalla ristiin reagoivia vasta-aineita, joiden affiniteetti on alhaisempi kuin neutralisaatiokynnys (31). Näin ollen kriteeri, jonka mukaan aiemmissa monivalenttisissa HCV-ehdokkaissa on sisällytetty useita alatyyppejä tai maksimoitu sekvenssin laajuus, saattaa olla virheellinen (32). Vaihtoehtoisesti varianttien valitseminen niiden fysikaalis-kemiallisen, ei niinkään sekvenssispesifisen tai fylogeneettisen monimuotoisuuden perusteella, saattaa nopeuttaa immuunipurkausta, jonka postuloidaan suosivan laajasti reaktiivisen, matala-affiniteettisen AB-varianssin induktiota.

Loppuhuomautukset

Rokotteen suunnittelun lähtökohtana on kliinisiin tietoihin, eläinmalleihin ja in vitro -määrityksiin nojautuva, suojaavaa immuunivasteeseen perustuva hypoteesi. Hypervariaatiovirusten, kuten muidenkin patogeenien, kohdalla nämä vasteet ovat monitahoisia, ja niihin liittyy synnynnäisen, soluvälitteisen ja humoraalisen immuniteetin koordinointi (33). Kriittisen tärkeää on, että suojaavan rokotteen tehtävänä ei ole suoraan stimuloida menestyksekkään immuunivasteen jokaista osatekijää, vaan tunnistaa ja sitten lisätä sitä välittävää vaihetta, joka on ensisijaisesti estynyt luonnollisessa infektiossa. Vaihtelevien taudinaiheuttajien kohdalla tämä välittäjä on vaihtelevuuteen perustuva humoraalinen väistö (2). Tämän sopeutumisen estämiseksi suojaavan rokotteen olisi indusoitava laajasti reagoivia vasta-aineita, joilla on matala vaihteluvarianssi ja jotka kohdistuvat steriilisti saavutettaviin, neutraloiviin epitooppeihin. Vaikka jälkimmäinen vaatimus, joka perustuu multiple-hit-hypoteesiin, jossa kuvataan pienemmät stoikiometriset vaatimukset saavutettavissa olevien epitooppien neutraloinnille verrattuna kryptisiin epitooppeihin, viittaa vaihteleviin, saavutettavissa oleviin epitooppeihin ehdokkaina olevina immunogeeneinä, edellinen vaatimus viittaa evolutiivisesti rajoitettuihin epitooppeihin (27). Näiden kilpailevien vaatimusten ratkaisemiseksi ihanteellinen rokote synnyttäisi neutraloivia vasta-aineita, jotka kohdistuvat vaihteleviin epitooppeihin tunnistamalla pikemminkin fysiokemiallisesti konservoituneita kuin kantaspesifisiä jäämiä.

Data Availability Statement

Tutkimuksessa esitetyt alkuperäiset panokset sisältyvät artikkeliin/täydentävään aineistoon, lisätietoja voi tiedustella vastaavalta kirjoittajalta.

Author Contributions

Tekijä vahvistaa olevansa tämän työn ainoa tekijä ja on hyväksynyt sen julkaistavaksi.

Interressiristiriita

Tekijä vakuuttaa, että tutkimus on tehty ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Lyhenteet

HCV, hepatiitti C -virus; HIV, ihmisen immuunikatovirus; AB, vasta-aine; HVR1, hypervariable region 1, hypervariable region 1; nAB, neutralizing antibody, neutraloiva vasta-aine; HA, hemagglutiniini; BCR, B-solureseptorit; bnAB, broadly nAB, laajalti nAB; AMA1, Ag apical membrane antigen-1.