Frontiers in Immunology

Bevezetés

Az antigénvariabilitásra jellemző, hogy egy fajon belül, a gazdák között, a gazdákon belül vagy a populációk között időben eltérő szekvenciájú változatok jelennek meg, amelyek esetében az egyik törzs által kiváltott adaptív immunitás nem véd egy másik törzzsel szemben (1). A szekvencia-diverzitás szükséges, de nem elégséges az antigénvariabilitáshoz, mivel az abból adódik, hogy a gazdaszervezet immunválasza nem képes megfelelni a fertőző kórokozó antigén-széleskörűségének, illetve nem képes a fertőző kórokozón belüli korlátozott célpontok felhalmozására. A szekvencia-variabilitásnak szelektíven fenn kell maradnia a gazdaszervezet adaptív immunválasza által megcélzott epitópokban is, amelyekben a mutációk relatív rezisztenciát vagy érzékenységet biztosítanak a gazdaszervezet-specifikus antitest- vagy T-sejt-repertoárral szemben. A variabilitás által közvetített immunmenekülés kihívását jól példázza a monoantigén kórokozók (himlő, kanyaró, mumpsz stb.) elleni vakcinák sikeres bevezetése, de a variábilis kórokozók, köztük a hepatitis C vírus (HCV), a humán immunhiány vírus (HIV), az influenza és a dengue elleni vakcina kifejlesztésének tartós nehézségei, amelyek májcirrózis, immunhiány, tüdőgyulladás és vérzéses láz által jellemzett súlyos betegségeket okoznak (2). Bár az adaptív variáció mechanizmusai vírusonként eltérőek, négy mintában konvergálnak (1. ábra):

i. Egy gazdán belüli kvázi fajon belüli populáció létrehozása, amelyet magas replikációs hibaarányok által létrehozott mutáns spektrum jellemez, amely fenntartja az antigén szempontjából különböző vírusok rezervoárját, amelyek eltérő érzékenységgel rendelkeznek a gazdaszervezet immunválaszával szemben.

ii. Térben-időben meghatározott antigén tér, amely a regionális gazdapopuláció fennálló immunitásával szemben rezisztens változatok tartós generációjához vezet.

iii. A fertőzést fokozó keresztimmunreaktivitás spektruma a kvázifajok vagy altípusok között.

iv. Konzervált, változó immunodomináns epitópok általi epitóp-maszkírozás, sztérikus akadályozás vagy eseménymodulált konformációs elzáródás.

Ezek a minták, amelyek sem egymást nem zárják ki, sem nem teljes körűek, tipizálják a vakcinafejlesztés sürgős kihívásait, amelyekre a hagyományos megközelítések, például az élő hígított, alegységekkel vagy egész részecskékkel inaktivált vírusokkal való immunizáció továbbra sem megfelelő.

Kvázifajok által közvetített kitérés

A kvázifajok egy mutáns diverzifikált populáció egyes variánsaira utalnak (6). Bár minden egyes kvázi-faj egyetlen replikatív egység, a heterogén utódok és az egyidejű kvázi-fajok filogenetikai konvergenciája azt eredményezi, hogy a szelekció inkább a kvázi-fajok populációira hat, mint a diszkrét változatokra. A fenotípusokat ezért befolyásolja a populáció szerkezete, a kooperativitás és a keresztreaktivitás interaktív hálózatai befolyásolják mind az egyes változatok, mind a populáció együttesének fitneszét (7). A pozitív és negatív szelekciós erők alakítják a kvázi fajpopulációt, a szekvencia-tér az előbbi által az immunmediált diverzifikáció révén bővül, az utóbbi pedig korlátozza, mivel a növekvő mutációs terhelés csökkenti a populációs hálózat távoli csomópontjait elfoglaló változatok mutációs robusztusságát. Az egyes erők abszolút hozzájárulása a genomi struktúrához a szinonim és a nem szinonim mutációk arányával mérhető az egyes kodonpárokban, a nem strukturális fehérjék (a HCV NS5b polimeráza) replikatív funkcióit az erős negatív szelekció (amely még a csökkent replikatív fitneszű gyógyszerrezisztens variánsokat is eltünteti), az adaptív gazdaszervezeti válaszokra érzékeny immundomináns epitópokat pedig a pozitív szelekció és az eredendő funkcionális plaszticitás együttes hatása diverzifikálja (8, 9). A kvázifaj-populációk döntő jellemzője tehát az adaptív immunnyomásnak kitett régiókban szelektíven megőrzött variabilitás, a populáció dinamikáját pedig az e maradékok mutációi által biztosított fitnesz alakítja az egyidejű vagy megelőző változatok és az általuk kiváltott immunválaszok teljes mutációs tájképéhez viszonyítva.

A HIV-1 és a HCV, amelyek replikációnként 10-4, illetve 10-3 nukleotidonkénti replikációs hibaarányokkal rendelkeznek, prototípusos kórokozók a kvázifajok által közvetített immunelkerülés vizsgálatára (10). Mindkét vírus esetében a kezdeti diverzifikáció a burkológlikoproteineket célzó antitestekhez kapcsolódik, amelyek megváltoztatják a fitnesz-tájképet, hogy a mutáns rezervoárban a kisebb változatoknak kedvezzenek, amelyek később domináns kvázi-fajjá válnak (3). A domináns kvázifajok ciklikus immunmenekülésének, terjeszkedésének és kiürülésének redukcionista mintáját nemrégiben megkérdőjelezték, mivel a populáció dinamikájához valószínűleg összetettebb, a keresztreaktivitás hálózatait magában foglaló dinamika járul hozzá (7). A menekülő variánsok antitestek által közvetített pozitív szelekcióját azonban mind állatmodellekben, mind klinikai körülmények között megfigyelték, és következetesen bizonyított, hogy a HIV (V1V2, C3V4) és a HCV (HVR1) változó régióit célzó AB törzs-specifikus semlegesítéssel jár (11, 12). A legújabb jelentések szerint – legalábbis a HCV esetében – a HVR1 által meghatározott kvázi faji diverzitás akut fertőzésben előre jelzi a krónikussá válást, ami megerősíti a populációs diverzitás és a fitnesz közötti kapcsolatot, miközben azt sugallja, hogy az antigénvariáció nem csupán a gazdaszervezet immunnyomás kompenzációs eredménye, hanem előkészítő mechanizmusa is (13). Sajnos a természetes fertőzés által kiváltott neutralizáló antitest (nAB) válaszok korlátozott kvázi fajspecifikussága kiterjed a vakcinázásra is, mivel a HIV- és HCV-jelöltek ismételten sikeresen váltanak ki nAB-választ a homológ vakcina immunogénre, de a heterológ változatokra nem (14, 15).

Spatiotemporálisan meghatározott antigén tér

A kvázifajok által közvetített kitéréssel ellentétben, amelyben a több variánssal való egyidejű fertőzés megkönnyíti a gazdán belüli adaptív menekülést, az influenza az immunmemória gazdapopulációs szintű sebezhetőségeit használja ki a menekülő variánsok szekvenciális, szezonális generálásával (4). A kvázi-fajokhoz hasonlóan azonban a szezonális változatok közötti antigénvariáció immunodomináns, törzs-specifikus semlegesítő epitópokban gazdagodik (16). Az antigéneltolódás és drift révén sztochasztikusan generált altípusokat a fitnesz szempontjából a fertőzőképesség, a tropizmus és a keresztimmunreaktivitás változatai konszolidálják a meglévő, populációs szintű AB-vel. A szezonális vakcinafejlesztés ezért annak előrejelzését helyezi előtérbe, hogy a korábban leírt változatok közül melyik jelölt fogja a leghatékonyabban kiváltani az immunválaszt, amely a keringő változatokkal szemben minden évben keresztsemlegesítő hatású (17). A szezonális változatok pontos előrejelzésének folyamatos kihívása és a kialakuló pandémiás változatok jelentős kockázata egyetemes vakcinák kifejlesztését indokolja (18). A HIV-hez és a HCV-hez hasonlóan azonban a mutációt toleráló régiók – ebben az esetben a felszíni glikoprotein hemagglutinin (HA) globuláris fejének – immundominanciája megnehezíti az erőfeszítéseket (16). Bíztató, hogy a korábbi fertőzés által kiváltott HA AB-vel rendelkező felnőttek körében erős visszahívási választ figyeltek meg, amikor új törzsekkel, különösen a neutralizáló epitópokkal közös törzsekkel provokálták őket (19). Ez azt jelenti, hogy részben protektív, alapozott immunitás jellemezheti a változó kórokozókkal való ismételt expozíciót, amelynek során a keresztreaktív B-sejt receptorokat (BCR) stimulálhatják az új törzsek, és affinitást érlelhetnek az új törzsekre, ami a keresztkonzervált, immunogén szempontból szubdomináns epitópokhoz való fokozatosan megnövelt paratóp-affinitást eredményez.

Keresztreaktivitás, antigénkooperáció és antitest-függő fokozás

Az egyik antigén által kiváltott AB-proromiszkuszos kötődés egy másik antigénhez különböző mértékben lehet protektív, fertőzésfokozó vagy mindkettő, az antigénterülettől függően. Az előbbi esetek jellemzik a széleskörűen nAB-okat (bnAB), amelyek a vírus bejutása szempontjából kritikus konzervált maradékokkal való paratóp kölcsönhatás révén válogatás nélkül kötődnek és semlegesítik az antigén szempontjából különböző változatok populációját (20). A fertőzést fokozó antitestek ezzel szemben a keresztreaktív epitópokat célozzák meg különböző affinitással, néha semlegesítik a nagy affinitású változatokat, miközben a vírustropizmus célpontjainak toborzása révén elősegítik az alacsony affinitású változatok bejutását (5). A pontos mechanizmusok ellenére az epitópspecifikusság, a hozzáférhetőség és a vírus érettségének eltérő hozzájárulása a különböző dengue altípusok egymást követő fertőzésében arra utal, hogy az AB-kötést követő immunológiai szekvencia, amely az Fc-közvetített effektorfunkciókon és a célzott epitóp(ok)hoz való paratóp-affinitáson (koff/kon), nem pedig egyszerűen a receptor-kötő domének sztérikus elfoglalásán alapul, közvetíti a semlegesítést (5). A kvázi fajszerkezetű víruspopulációk között az antitestek által közvetített semlegesítéshez való körkörös hozzájárulás a gazdaszervezet immunmediátorain túl az intrahost szekvencia térre és a keresztreaktivitás megfelelő hálózatára is kiterjed. Az affinitási spektrumot tekintve a nagy affinitású változatok a keresztreaktív AB-vel való feldúsulás révén antigén-altruistaként működhetnek azáltal, hogy elősegítik az alacsonyabb affinitású változatok perzisztenciáját, amelyekre a kvázi fajspecifikus affinitásérés meghiúsult (7). A csökkent antigéndiverzifikáció és a fokozott negatív szelekció megfigyelései a krónikus HCV-fertőzés során, valamint a gazdán belüli változatok és kvázi-fajta alpopulációk többéves perzisztenciája az antigén együttműködés modelljét támasztják alá, amely szerint a szekvencia tér keresztreaktív szerkezete önmagában megvédi a gazdán belüli populációt az AB semlegesítésétől (21).

Konzervált epitóp maszkolás

A fiziokémiai minták megőrzése, az alacsony Shannon-entrópiájú szakaszok, a magas negatív szelekció és a széles keresztreaktivitás által sugallt kiterjedt konvergens evolúció arra utal, hogy még az antigénvariáns vírusok között is szükséges az antigén konzerválás a fitnesz megőrzéséhez (21, 22). A funkcionális megőrzésre és az immunelkerülésre irányuló kettős szelektív nyomás a variábilis vírusokban közös antigénmintázatot tart fenn, amelyet mutációtűrő, immundomináns epitóp(ok) jellemeznek, amelyek konzervált, konformációs vagy glikozilációsan elzárt, semlegesítő doméneket takarnak (23-25). A HCV, a HIV és az influenza mutatja ezt a mintázatot, a bnAB, amely már a humorális válasz kisebbsége, funkcionálisan korlátozott a célzott epitópok alacsony hozzáférhetősége vagy a korlátozott neutralizációs ablak miatt, amelyet a receptorok kötődése által kiváltott konformációs változás biztosít (6). A széles körű semlegesítés antigénmeghatározóinak feltérképezésére és a komplementer antitestek kiváltására irányuló, folyamatban lévő kutatások – akár fordított vakcinológia, akár a vakcina immunogének változó epitópjainak csonkítása révén – alapot nyújtanak az ésszerű vakcinatervezéshez (26). Az affinitásérlelés reverz vakcinológiával történő rekonstruálásával kapcsolatos kihívások, a változó epitópokkal törölt immunogének csökkent immunogenitása és a konzervált epitópok in situ elzáródása azonban arra utal, hogy az antigén szempontjából változó kórokozók hatékony vakcinatervezésének inkább a hipervariábilis epitópokat kell megcéloznia, mint megkerülnie.

Perspektíva

A keresztreaktivitás szükséges, de nem elegendő a változó epitópokra irányuló védő AB-válaszhoz. Ahhoz, hogy a fertőzést egy antigén szempontból konvergens szekvencia-térben oldják fel, a keresztreaktív AB-nek olyan neutralizáló epitópokat is meg kell kötnie, amelyeknek az izolátumok között alacsony a paratóp-affinitás-variabilitása (2. ábra).

Mivel a kisebb fizikai-kémiai eltérések megváltoztathatják a paratóp: epitóp kölcsönhatást, ez utóbbi követelmény magyarázatot adhat arra, hogy a tartós fertőzést miért tulajdonítják a keresztreaktivitás hálózatainak és azok kialakuló jellemzőinek, például az antigén altruizmusnak, egy olyan jelenségnek, amelynek során a keresztreaktív változatok közötti együttműködés növeli a populáció fitneszét a gazdaszervezet immunválaszai által előnyben részesített “áldozati” változatok kárára (7). Ez a követelmény magyarázatot adhat arra is, hogy a krónikus HCV- és HIV-fertőzésben a változó epitópokat célzó immunválaszok kiterjedt keresztreaktivitása ellenére hogyan alakulnak ki semlegesítés-rezisztens menekülő mutánsok: a keresztreaktív AB-vel szembeni csökkent affinitásuk veszélyezteti a semlegesítés sztöchiometriai követelményeit (27). Mechanisztikailag ez a jelenség azt sugallja, hogy a variábilis kórokozókkal szembeni széles körű protektív válaszok egyik kritériuma a szekvenciális variábilis epitópokon belül fizikokémiailag konvergens szignatúrákat válogatás nélkül célzó AB indukciója.

A klinikai kohorszokból és preklinikai modellekből származó bizonyítékok egyaránt alátámasztják az affinitásérlelésnek a variábilis epitópokon belüli konzervált szignatúrákra való irányításának megvalósíthatóságát. A HCV-vel krónikusan fertőzött betegek körében az antigén szempontjából változatos kvázifajoknak való kitettség hossza összefügg a korlátozott maradékokat célzó bnAB kialakulásával, ami arra utal, hogy a változó doméneknek való ismételt kitettség részben csillapítja az immundominanciát, és az affinitásérlelést a jobban konzervált, következetesebben megjelenő epitópok felé tolja el (28). Megfigyelték azt is, hogy a polivalens malária vakcinajelöltek növelik a semlegesítés szélességét azáltal, hogy az immunválaszt a konzervált maradékokra irányítják (29). A klinikai eredményekkel összhangban lévő in silico modellek ezt a jelenséget a fizikokémiailag változó, nem pedig konzervált maradékokhoz való magas BCR-affinitással rendelkező klonális vonalak veszélyeztetett fitneszével írják le (30). Konkrétan, a multivalens vakcinaformulációban az allélok növekvő bevonása kiszélesítette a kereszt-sza malária semlegesítését a malária apikális membrán 1-es antigénjének konzervált és polimorf arcaira adott humorális válasz fokozása révén (30). Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a multivalens vakcinázást követő fokozott nAB-szélességre irányuló szelekció nem kizárólag az antigéntartományok között, hanem azokon belül is működhet, és ezért összeegyeztethető lehet a teljes hosszúságú antigént mint funkcionális immunogén egységet helyettesítő egyváltozós epitóppal.

A variánsok megkülönböztetés nélküli beépítése a polivalens készítményekbe valószínűleg a természetes fertőzésben bekövetkező eseményeket reprodukálná, ami törzs-specifikus semlegesítéshez, vagy ami még rosszabb, antitest-függő fokozáshoz vezetne a keresztreaktív antitestek indukcióján keresztül, szubneutralizációs küszöbérték-affinitással (31). A több altípus bevonásának vagy a szekvencia szélességének maximalizálásának kritériuma a korábbi multivalens HCV-jelöltekben ezért téves lehet (32). Alternatív megoldásként a változatok fizikai-kémiai, nem pedig szekvencia-specifikus vagy filogenetikai sokféleségen alapuló kiválasztása felgyorsíthatja azt az immunfrusztrációt, amely a széles körben reaktív, alacsony affinitású variáns AB indukciójának kedvez.

Záró megjegyzések

A vakcina tervezése a védő immunválaszt leíró, klinikai adatok, állatmodellek és in vitro vizsgálatok által megalapozott hipotézissel kezdődik. A hipervariábilis vírusok esetében, más kórokozókhoz hasonlóan, ezek a válaszok sokrétűek, és a veleszületett, a sejtes és a humorális immunitás összehangolását foglalják magukban (33). Kritikusan fontos, hogy a védőoltás szerepe nem a sikeres immunválasz minden egyes összetevőjének közvetlen stimulálása, hanem a természetes fertőzés során elsősorban akadályozott közvetítő lépés azonosítása, majd fokozása. A variábilis kórokozók esetében ez a közvetítő a variabilitáson alapuló humorális kitérés (2). Ennek az adaptációnak a kiküszöbölése érdekében egy védőoltásnak széles körben reaktív, alacsony affinitás-variabilitású antitesteket kellene indukálnia, amelyek sterikusan hozzáférhető, semlegesítő epitópokat céloznak. Bár az utóbbi követelmény, amely a multiple-hit hipotézisen alapul, amely a hozzáférhető epitópok neutralizációjának csökkent sztöchiometriai követelményeit írja le a kriptikus epitópokhoz képest, változó, hozzáférhető epitópokat feltételez, mint immunogén jelölteket, az előbbi evolúciósan korlátozott epitópokra utal (27). Ezen egymással versengő követelmények feloldása érdekében az ideális vakcina olyan semlegesítő antitesteket váltana ki, amelyek egyenértékűen célozzák a változó epitópokat azáltal, hogy inkább fiziokémiailag konzervált, mint törzs-specifikus maradékokat ismernek fel.

Adatok elérhetőségi nyilatkozata

A tanulmányban bemutatott eredeti hozzájárulások a cikkben/kiegészítő anyagban szerepelnek, további kérdésekkel a levelező szerzőhöz lehet fordulni.

A szerzői hozzájárulások

A szerző megerősíti, hogy a munka egyedüli szerzője, és jóváhagyta a publikálást.

Érdekütközés

A szerző kijelenti, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezte, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Rövidítések

HCV, hepatitis C vírus; HIV, humán immundeficiencia vírus; AB, antitest; HVR1, hipervariábilis régió 1; nAB, semlegesítő antitest; HA, hemagglutinin; BCR, B-sejt receptorok; bnAB, széleskörűen nAB; AMA1, Ag apikális membrán antigén-1.