Frontiers in Immunology

Úvod

Antigenní variabilita je charakterizována vznikem sekvenčně odlišných variant v rámci druhu, cirkulací mezi hostiteli, uvnitř hostitelů nebo časově napříč populacemi, u nichž adaptivní imunita vyvolaná jedním kmenem selhává při ochraně proti jinému (1). Jako vlastnost vyplývající z neschopnosti hostitelské imunitní odpovědi přizpůsobit se antigenní šíři nebo obohatit se o omezené cíle v rámci infikujícího patogenu je sekvenční diverzita pro antigenní variabilitu nezbytná, ale nikoliv postačující. Sekvenční variabilita musí být také selektivně zachována v epitopech, na které se zaměřuje hostitelská adaptivní imunitní odpověď a v nichž mutace propůjčují hostiteli relativní rezistenci nebo citlivost vůči specifickým protilátkám nebo repertoáru T-buněk. Problém variability zprostředkované imunitním únikem ilustruje úspěšné zavedení vakcín proti monoantigenním patogenům (neštovice, spalničky, příušnice atd.), ale přetrvávající obtíže při vývoji vakcín proti variabilním patogenům, včetně viru hepatitidy C (HCV), viru lidské imunodeficience (HIV), chřipky a horečky dengue, které způsobují závažná onemocnění charakterizovaná jaterní cirhózou, imunodeficiencí, pneumonií, respektive hemoragickou horečkou (2). Ačkoli se mechanismy adaptační variability u jednotlivých virů liší, shodují se ve čtyřech vzorcích (obrázek 1):

i. Vytváření vnitrohostitelské kvazidruhové populace charakterizované mutantním spektrem generovaným vysokou mírou replikačních chyb, které udržují rezervoár antigenně odlišných virionů s různou citlivostí k imunitní odpovědi hostitele.

ii. Prostorově a časově vymezený antigenní prostor vedoucí k trvalému vytváření variant rezistentních vůči existující imunitě regionální hostitelské populace.

iii. Spektra křížové imunoreaktivity zvyšující infekci mezi kvazidruhy nebo subtypy.

iv. Konzervativní, maskování epitopů variabilními imunodominantními epitopy, sterická překážka nebo konformační okluze modulovaná událostmi.

Tyto vzorce se vzájemně nevylučují ani nevyčerpávají, ale jsou typické pro naléhavé problémy při vývoji vakcín, pro které tradiční přístupy, jako je imunizace živým oslabeným, subjednotkovým nebo celočásticovým inaktivovaným virem, zůstávají nedostatečné.

Kvazi-druhově zprostředkované vyhýbání se

Kvazi-druhově se označují jednotlivé varianty v mutantní diverzifikované populaci (6). Ačkoli je každý kvazidruh jedinou replikační jednotkou, heterogenní potomstvo a fylogenetická konvergence současných kvazidruhů vedou k selekci působící na kvazidruhové populace spíše než na diskrétní varianty. Fenotypy jsou proto ovlivňovány populační strukturou, přičemž vzájemně se ovlivňující sítě kooperativity a křížové reaktivity ovlivňují fitness jednotlivých variant i populačního souboru (7). Pozitivní a negativní selekční síly utvářejí kvazi-druhovou populaci, přičemž sekvenční prostor je rozšiřován první z nich prostřednictvím imunitně zprostředkované diverzifikace a omezován druhou, protože rostoucí mutační zátěž snižuje mutační odolnost variant, které zaujímají vzdálené uzly v populační síti. Absolutní příspěvek každé síly ke struktuře genomu lze vyjádřit poměrem synonymních a nesynonymních mutací u každého páru zarovnaných kodonů, přičemž replikační funkce nestrukturálních proteinů (polymeráza NS5b HCV) se zachovávají díky silné negativní selekci (čistící i lékově rezistentní varianty se sníženou replikační zdatností) a imunodominantní epitopy zranitelné vůči adaptivním reakcím hostitele se diverzifikují kombinací účinků pozitivní selekce a vrozené funkční plasticity (8, 9). Klíčovým rysem kvazidruhových populací je tedy selektivně zachovaná variabilita v oblastech vystavených adaptivním imunitním tlakům, přičemž populační dynamika je utvářena zdatností danou mutacemi v těchto reziduích ve vztahu k celkovému mutačnímu prostředí současných nebo předchozích variant a jimi vyvolaných imunitních reakcí.

HIV-1 a HCV s mírou replikačních chyb 10-4 a 10-3 na nukleotid na replikaci jsou prototypickými patogeny pro studium kvazidruhového imunitního úniku (10). U obou virů je počáteční diverzifikace spojena s cílenými protilátkami proti obalovému glykoproteinu, které mění fitness krajinu ve prospěch minoritních variant v mutantním rezervoáru, které se následně rozšíří a stanou se dominantními kvazidruhy (3). Tento redukcionistický vzorec cyklického imunitního úniku, expanze a odstranění dominantních kvazidruhů byl nedávno zpochybněn, přičemž k populační dynamice pravděpodobně přispívá složitější dynamika zahrnující sítě zkřížené reaktivity (7). Pozitivní selekce únikových variant zprostředkovaná protilátkami však byla pozorována jak na zvířecích modelech, tak v klinických podmínkách, přičemž důkazy konzistentně ukazují na neutralizaci specifickou pro kmen pomocí AB zaměřených na variabilní oblasti HIV (V1V2, C3V4) a HCV (HVR1) (11, 12). Nedávné zprávy naznačují, přinejmenším v případě HCV, že kvazi-druhová rozmanitost definovaná HVR1 při akutní infekci předpovídá přechod do chronicity, což potvrzuje vztah mezi populační rozmanitostí a fitness a zároveň naznačuje, že antigenní variabilita není pouze kompenzačním důsledkem, ale přípravným mechanismem na imunitní tlak hostitele (13). Bohužel omezená kvazidruhová specifita odpovědí neutralizačních protilátek (nAB) vyvolaných přirozenou infekcí se vztahuje i na očkování, přičemž kandidáti HIV a HCV opakovaně úspěšně vyvolávají odpovědi nAB na homologní imunogen vakcíny, ale ne na heterologní varianty (14, 15).

Prostorově vymezený antigenní prostor

Na rozdíl od kvazidruhově zprostředkovaného úniku, kdy souběžná infekce více variantami usnadňuje adaptivní únik uvnitř hostitele, využívá chřipka zranitelnosti imunitní paměti na úrovni hostitelské populace prostřednictvím sekvenčního, sezónního generování únikových variant (4). Podobně jako u kvazidruhů je však antigenní variabilita mezi sezónními variantami obohacena o imunodominantní, kmenově specifické neutralizační epitopy (16). Subtypy stochasticky generované prostřednictvím antigenního posunu a driftu jsou z hlediska fitness konsolidovány variacemi v infekčnosti, tropismu a zkřížené imunoreaktivitě s existujícími AB na úrovni populace. Vývoj sezónních vakcín proto prioritně předpovídá, který kandidát z dříve popsaných variant bude nejúčinněji vyvolávat imunitní odpovědi, které budou každý rok zkříženě neutrální vůči cirkulujícím variantám (17). Přetrvávající problém přesné předpovědi sezónních variant a významné riziko vzniku pandemických variant motivují k vývoji univerzálních vakcín (18). Podobně jako u HIV a HCV však komplikuje úsilí imunodominance mutačně tolerantních oblastí, v tomto případě globulární hlavy povrchového glykoproteinu hemaglutininu (HA) (16). Povzbudivé je, že u dospělých s předchozí infekcí indukovanou HA AB byla pozorována silná odezva při napadení novými kmeny, zejména těmi, které sdílejí neutralizační epitopy (19). To naznačuje, že částečně ochranná, primed imunita může charakterizovat opakovanou expozici variabilním patogenům, přičemž zkříženě reagující B-buněčné receptory (BCR) mohou být stimulovány novými kmeny a afinitně k nim dozrávat, což vede k postupně zvyšované afinitě paratopů ke zkříženě konzervovaným, imunogenně subdominantním epitopům.

Křížová reaktivita, antigenní spolupráce a zesílení závislé na protilátce

Promiskuitní vazba AB vyvolaná jedním antigenem na druhý může být v různé míře protektivní, zvyšující infekci nebo obojí, v závislosti na antigenním prostoru. Případy prvního z nich charakterizují široce nAB (bnAB), které se prostřednictvím paratopové interakce s konzervovanými zbytky kritickými pro vstup viru neselektivně vážou a neutralizují populaci antigenně různorodých variant (20). Naproti tomu protilátky posilující infekci se zaměřují na zkříženě reagující epitopy s různou afinitou, někdy neutralizují varianty s vysokou afinitou, zatímco prostřednictvím náboru cílů virového tropismu usnadňují vstup variant s nízkou afinitou (5). Bez ohledu na přesné mechanismy naznačuje rozdílný podíl specifičnosti epitopů, jejich přístupnosti a zralosti virionu při postupné infekci různými podtypy viru dengue, že neutralizaci zprostředkovává spíše imunologická sekvence následující po vazbě AB, založená na Fc zprostředkovaných efektorových funkcích a afinitě paratopů (koff/kon) k cílovým epitopům, než pouhé sterické obsazení vazebných domén receptorů (5). Okružní příspěvky k protilátkami zprostředkované neutralizaci mezi kvazi-druhově strukturovanými virovými populacemi přesahují rámec hostitelských imunitních mediátorů do vnitrohostitelského sekvenčního prostoru a odpovídající sítě zkřížené reaktivity. Uvažujeme-li o afinitním spektru, mohou varianty s vysokou afinitou prostřednictvím obohacení zkříženě reagujícími AB fungovat jako antigenní altruisté tím, že usnadňují perzistenci variant s nižší afinitou, k nimž kvazidruhově specifické zrání afinity ztroskotalo (7). Pozorování snížené antigenní diverzifikace a zvýšené negativní selekce během chronické infekce HCV spolu s mnohaletým přetrváváním intrahostitelských variant a kvazidruhových subpopulací podporují model antigenní spolupráce, kdy samotná zkříženě reaktivní struktura sekvenčního prostoru chrání intrahostitelskou populaci před neutralizací AB (21).

Konzervované maskování epitopů

Zachování fyziologických vzorců, úseky s nízkou Shannonovou entropií, vysoká negativní selekce a rozsáhlá konvergentní evoluce, kterou naznačuje široká křížová reaktivita, naznačují, že i mezi antigenně variabilními viry je k zachování fitness zapotřebí antigenní konzervace (21, 22). Dvojí selekční tlak na zachování funkčnosti a vyhýbání se imunitě zachovává společný antigenní vzorec napříč variabilními viry, který se vyznačuje mutačně tolerantním, imunodominantním epitopem (epitopy) maskujícím konzervované, konformačně nebo glykosylačně okludované, neutralizační domény (23-25). HCV, HIV a chřipka vykazují tento vzorec, přičemž bnAB, již minoritní humorální odpověď, je funkčně omezena nízkou dostupností cílových epitopů nebo omezeným neutralizačním oknem, které poskytuje konformační změna vyvolaná vazbou na receptor (6). Probíhající výzkum mapování antigenních determinant široké neutralizace a vyvolání komplementárních protilátek, ať už prostřednictvím reverzní vakcinologie nebo zkrácením variabilních epitopů z imunogenů vakcín, poskytuje základ pro racionální návrh vakcín (26). Problémy při rekonstituci afinitní maturace prostřednictvím reverzní vakcinologie, snížená imunogenicita imunogenů s odstraněnými variabilními epitopy a okluze konzervovaných epitopů in situ však naznačují, že účinný návrh vakcíny proti antigenně variabilním patogenům bude možná muset být zaměřen spíše na hypervariabilní epitopy než na jejich obcházení.

Perspektiva

Křížová reaktivita je nezbytná, ale nikoliv postačující pro ochrannou AB odpověď zaměřenou na variabilní epitopy. Aby bylo možné vyřešit infekci v antigenně konvergentním sekvenčním prostoru, musí zkříženě reagující AB vázat také neutralizující epitopy s nízkou variabilitou paratopů napříč izoláty (obrázek 2).

Vzhledem k tomu, že drobné fyzikálně-chemické odchylky mohou měnit interakci paratop: epitop, může tento druhý požadavek vysvětlovat, proč se přetrvávající infekce připisuje sítím zkřížené reaktivity a jejich emergentním rysům, jako je antigenní altruismus, jev, kdy spolupráce mezi zkříženě reagujícími variantami zvyšuje fitness populace na úkor „obětovaných“ variant, na které se přednostně zaměřují imunitní reakce hostitele (7). Tento požadavek může také vysvětlovat, jak navzdory rozsáhlé zkřížené reaktivitě variabilních epitopů cílených na imunitní odpovědi u chronické infekce HCV a HIV vznikají únikové mutanty odolné vůči neutralizaci: jejich snížená afinita ke zkříženě reagujícím AB ohrožuje stechiometrické požadavky na neutralizaci (27). Mechanisticky tento jev naznačuje, že jedním z kritérií pro široce protektivní odpovědi na variabilní patogeny je indukce AB neselektivně zaměřených na fyzikálně-chemicky konvergentní signatury v rámci sekvenčních variabilních epitopů.

Důkazy z klinických kohort i preklinických modelů podporují možnost vychýlení afinitní maturace ke konzervovaným signaturám v rámci variabilních epitopů. U pacientů chronicky infikovaných HCV je délka expozice antigenně různorodým kvazidruhům spojena s rozvojem bnAB zaměřené na omezená rezidua, což naznačuje, že opakovaná expozice variabilním doménám částečně oslabuje imunodominanci a posouvá zrání afinity k lépe konzervovaným, konzistentněji prezentovaným epitopům (28). Bylo také pozorováno, že kandidáti na polyvalentní vakcíny proti malárii zvyšují šíři neutralizace tím, že vychylují imunitní odpověď ke konzervovaným reziduím (29). Modely in silico, které jsou v souladu s klinickými nálezy, popisují tento jev ve smyslu zhoršené fitness mezi klonálními liniemi s vysokou afinitou BCR k fyzikálně-chemicky variabilním, nikoli konzervovaným reziduím (30). Konkrétně zvyšující se alelická inkluze v multivalentním vakcinačním přípravku rozšiřuje cross-strénují neutralizaci malárie tím, že zvyšují humorální odpověď na konzervované i polymorfní tváře vrcholového membránového antigenu 1 malárie (30). Tato zjištění naznačují, že selekce pro zvýšenou šíři nAB po multivalentní vakcinaci může působit spíše v rámci antigenních domén než pouze mezi nimi, a proto může být kompatibilní s jednovariantním epitopem nahrazujícím antigen plné délky jako funkční imunogenní jednotku.

Diskriminační zahrnutí variant do polyvalentních formulací by pravděpodobně rekapitulovalo děje při přirozené infekci vedoucí k neutralizaci specifické pro kmen, nebo ještě hůře, k posílení protilátek prostřednictvím indukce zkříženě reagujících protilátek s podprahovou afinitou k neutralizaci (31). Kritérium zařazení více podtypů nebo maximalizace šíře sekvence u předchozích kandidátů na multivalentní HCV může být proto chybné (32). Alternativně může výběr variant na základě jejich fyzikálně-chemické, nikoli sekvenčně specifické nebo fylogenetické rozmanitosti urychlit imunitní frustraci, která podle postulátů upřednostňuje indukci široce reaktivní varianty AB s nízkou afinitou.

Závěrečné poznámky

Racionální návrh vakcíny začíná hypotézou, podloženou klinickými údaji, zvířecími modely a testy in vitro, popisující ochrannou imunitní odpověď. U hypervariabilních virů, stejně jako u jiných patogenů, jsou tyto odpovědi mnohostranné a zahrnují koordinaci vrozené, buněčné a humorální imunity (33). Kritickým úkolem ochranné vakcíny není přímo stimulovat jednotlivé složky úspěšné imunitní odpovědi, ale identifikovat a následně posílit zprostředkující krok, který je při přirozené infekci primárně znemožněn. U variabilních patogenů je tímto prostředníkem humorální únik založený na variabilitě (2). Aby se zabránilo této adaptaci, musela by ochranná vakcína vyvolat široce reaktivní protilátky s nízkou afinitou variability, které se zaměřují na sterilně přístupné, neutralizující epitopy. Ačkoli druhý požadavek, založený na hypotéze vícenásobného zásahu popisující snížené stechiometrické požadavky na neutralizaci přístupných ve srovnání s kryptickými epitopy, předpokládá variabilní, přístupné epitopy jako kandidátní imunogeny, první předpokládá evolučně omezené epitopy (27). Aby se vyřešily tyto konkurenční požadavky, ideální vakcína by vyvolala neutralizační protilátky, které se ekvivalentně zaměřují na variabilní epitopy tím, že rozpoznávají spíše fyziochemicky konzervovaná než kmenově specifická rezidua.

Potvrzení o dostupnosti údajů

Původní příspěvky uvedené ve studii jsou obsaženy v článku/doplňkovém materiálu, další dotazy lze směřovat na odpovídajícího autora.

Příspěvky autora

Autor potvrzuje, že je jediným autorem této práce a schválil její zveřejnění.

Střet zájmů

Autor prohlašuje, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

Zkratky

HCV, virus hepatitidy C; HIV, virus lidské imunodeficience; AB, protilátka; HVR1, hypervariabilní oblast 1; nAB, neutralizační protilátka; HA, hemaglutinin; BCR, B-buněčné receptory; bnAB, široce nAB; AMA1, Ag apikální membránový antigen-1.

.