Frontiers in Immunology

Introduzione

La variabilità antigenica è caratterizzata dall’emergere di varianti distinte per sequenza all’interno di una specie, circolanti tra gli ospiti, all’interno degli ospiti, o temporalmente attraverso le popolazioni, per le quali l’immunità adattativa suscitata da un ceppo non riesce a proteggere contro un altro (1). Come caratteristica emergente dall’incapacità della risposta immunitaria dell’ospite di corrispondere all’ampiezza antigenica del patogeno infettante o di arricchire i bersagli limitati, la diversità di sequenza è necessaria ma non sufficiente per la variabilità antigenica. La variabilità di sequenza deve anche essere selettivamente preservata negli epitopi presi di mira dalla risposta immunitaria adattativa dell’ospite e in cui le mutazioni conferiscono una resistenza relativa o una sensibilità a un anticorpo specifico dell’ospite o al repertorio delle cellule T. La sfida della fuga immunitaria mediata dalla variabilità è esemplificata dal successo dell’introduzione di vaccini per patogeni monoantigenici (vaiolo, morbillo, parotite, ecc.), ma dalla persistente difficoltà nello sviluppo di vaccini per patogeni variabili, tra cui il virus dell’epatite C (HCV), il virus dell’immunodeficienza umana (HIV), l’influenza e la dengue, che causano gravi malattie caratterizzate da cirrosi epatica, immunodeficienza, polmonite e febbre emorragica, rispettivamente (2). Anche se i meccanismi di variazione adattativa differiscono tra i virus, essi convergono su quattro modelli (Figura 1):

i. Generazione di una popolazione di quasi-specie intraospite caratterizzata da uno spettro mutante generato da alti tassi di errore replicativo che sostengono un serbatoio di virioni antigenicamente distinti con varia suscettibilità alla risposta immunitaria dell’ospite.

ii. Spazio antigenico definito spazio-temporalmente che porta alla generazione persistente di varianti resistenti all’immunità esistente della popolazione ospite regionale.

iii. Spettri di cross-immunoreattività che aumentano l’infezione tra quasi-specie o sottotipi.

iv. Conservazione, epitopo-mascheramento da parte di epitopi immunodominanti variabili, ostacolo sterico, o occlusione conformazionale modulata dall’evento.

Né mutuamente esclusivi né esaustivi, questi modelli caratterizzano le sfide urgenti nello sviluppo del vaccino per le quali gli approcci tradizionali, come l’immunizzazione con virus vivo-attenuato, subunità, o inattivato a particelle intere, rimangono inadeguati.

Evasione mediata dalle quasi-specie

Le quasi-specie si riferiscono a varianti individuali in una popolazione mutante diversificata (6). Anche se ogni quasi-specie è una singola unità replicativa, la progenie eterogenea e la convergenza filogenetica di quasi-specie contemporanee fanno sì che la selezione agisca su popolazioni di quasi-specie, piuttosto che su varianti discrete. I fenotipi sono quindi influenzati dalla struttura della popolazione, con reti interagenti di cooperatività e reattività incrociata che influenzano la fitness sia delle varianti individuali che dell’insieme della popolazione (7). Le forze di selezione positiva e negativa modellano la popolazione di quasi-specie, con lo spazio-sequenza espanso dalla prima, attraverso la diversificazione immunomediata, e limitato dalla seconda, poiché l’aumento del carico mutazionale riduce la robustezza mutazionale delle varianti che occupano i nodi distali nella rete della popolazione. Il contributo assoluto di ciascuna forza alla struttura genomica può essere valutato in base al rapporto tra mutazioni sinonime e non sinonime per ogni coppia di codoni allineati, con le funzioni replicative delle proteine non strutturali (la polimerasi NS5b dell’HCV) preservate da una forte selezione negativa (che elimina anche le varianti resistenti ai farmaci con ridotta fitness replicativa), e gli epitopi immunodominanti vulnerabili alle risposte adattative dell’ospite diversificati dagli effetti combinati della selezione positiva e della plasticità funzionale inerente (8, 9). Una caratteristica cruciale delle popolazioni di quasi-specie è quindi la variabilità selettivamente conservata nelle regioni esposte alle pressioni immunitarie adattative, con dinamiche di popolazione modellate dalla fitness conferita dalle mutazioni in quei residui in relazione al panorama mutazionale totale delle varianti contemporanee o precedenti e alle loro risposte immunitarie provocate.

HIV-1 e HCV, con tassi di errore replicativo di 10-4 e 10-3 per nucleotide per replicazione, rispettivamente, sono patogeni prototipici per studiare l’evasione immunitaria mediata da quasi-specie (10). Per entrambi i virus, la diversificazione iniziale è associata agli anticorpi che puntano la glicoproteina dell’involucro, che alterano il paesaggio di fitness per favorire le varianti minori nel serbatoio mutante che successivamente si espandono per diventare quasi-specie dominanti (3). Questo modello riduzionista di fuga immunitaria ciclica, espansione ed eliminazione delle quasi-specie dominanti è stato recentemente messo in discussione, con dinamiche più complesse che coinvolgono reti di reattività incrociata che possono contribuire alle dinamiche della popolazione (7). Tuttavia, la selezione positiva mediata dagli anticorpi delle varianti di fuga è stata osservata sia in modelli animali che in ambienti clinici, con prove che implicano costantemente la neutralizzazione specifica del ceppo da parte dell’AB che prende di mira le regioni variabili dell’HIV (V1V2, C3V4) e dell’HCV (HVR1) (11, 12). Rapporti recenti suggeriscono, almeno nel caso dell’HCV, che la diversità quasi-specifica definita dall’HVR1 nell’infezione acuta predice la progressione verso la cronicità, corroborando la relazione tra diversità della popolazione e fitness, mentre suggerisce che la variazione antigenica non è solo un risultato compensatorio di, ma un meccanismo preparatorio alla pressione immunitaria dell’ospite (13). Sfortunatamente, la limitata specificità quasi-specifica delle risposte anticorpali neutralizzanti (nAB) suscitate dall’infezione naturale si estende alla vaccinazione, con candidati HIV e HCV ripetutamente riusciti a suscitare risposte nAB all’immunogeno vaccinale omologo, ma non alle varianti eterologhe (14, 15).

Spazio Antigenico Spazio Spaziotemporale Definito

A differenza dell’evasione mediata dalle quasi-specie, in cui l’infezione concomitante con varianti multiple facilita la fuga adattativa intraospite, l’influenza sfrutta le vulnerabilità a livello di popolazione ospite nella memoria immunitaria attraverso la generazione sequenziale e stagionale di varianti di fuga (4). Simile alle quasi-specie, tuttavia, la variazione antigenica tra le varianti stagionali e’ arricchita in epitopi neutralizzanti immunodominanti e specifici del ceppo (16). I sottotipi generati stocasticamente attraverso lo spostamento antigenico e la deriva sono consolidati, in termini di fitness, dalle variazioni di infettività, tropismo e cross-immunoreattività con l’AB esistente, a livello di popolazione. Lo sviluppo del vaccino stagionale ha quindi la priorità di prevedere quale candidato, tra le varianti precedentemente descritte, indurrà più efficacemente risposte immunitarie che saranno cross-neutralizzanti per le varianti circolanti ogni anno (17). La sfida continua nel prevedere accuratamente le varianti stagionali e il rischio significativo di varianti pandemiche emergenti motivano lo sviluppo di vaccini universali (18). Tuttavia, come per l’HIV e l’HCV, l’immunodominanza delle regioni tolleranti alle mutazioni, in questo caso la testa globulare della glicoproteina di superficie emagglutinina (HA), complica gli sforzi (16). È incoraggiante notare che tra gli adulti con una precedente infezione indotta da HA AB, è stata osservata una forte risposta di richiamo quando sono stati sfidati con nuovi ceppi, specialmente quelli che condividono epitopi neutralizzanti (19). Questo implica che un’immunità parzialmente protettiva e innescata può caratterizzare l’esposizione ripetuta a patogeni variabili, per cui i recettori delle cellule B cross-reattive (BCR) possono essere stimolati da, e l’affinità matura per, nuovi ceppi, con conseguente affinità paratopica successivamente migliorata per epitopi cross-conservati, immunogenicamente subdominanti.

Reattività incrociata, cooperazione antigenica e potenziamento dipendente dall’anticorpo

Il legame promiscuo di AB suscitato da un antigene ad un altro può essere protettivo, favorire l’infezione o entrambi, in misura variabile, a seconda dello spazio antigenico. Istanze del primo caratterizzano ampiamente nAB (bnAB), che, tramite interazione paratope con residui conservati critici per l’ingresso virale, indiscriminatamente legano e neutralizzare una popolazione di varianti antigenicamente diverse (20). Gli anticorpi che potenziano l’infezione, al contrario, mirano agli epitopi cross-reattivi con affinità variabili, a volte neutralizzando le varianti ad alta affinità mentre, attraverso il reclutamento di obiettivi del tropismo virale, facilitano l’ingresso delle varianti a bassa affinità (5). Nonostante i meccanismi precisi, i vari contributi della specificità dell’epitopo, dell’accessibilità e della maturità del virione nelle infezioni successive di diversi sottotipi di dengue suggeriscono che la sequenza immunologica che segue il legame AB, basata sulle funzioni effettrici mediate dal Fc e sull’affinità del paratopo (koff/kon) all’epitopo mirato, piuttosto che la semplice occupazione sterica dei domini di legame del recettore, media la neutralizzazione (5). I contributi circostanziali alla neutralizzazione mediata dagli anticorpi, tra popolazioni virali strutturate in quasi-specie, si estendono oltre i mediatori immunitari dell’ospite allo spazio di sequenza intrahost e alla rete corrispondente di cross-reattività. Considerate su uno spettro di affinità, le varianti ad alta affinità possono, attraverso l’arricchimento con AB cross-reattivi, funzionare come altruisti antigenici facilitando la persistenza di varianti a bassa affinità a cui la maturazione di affinità quasi-specifica è stata frustrata (7). Le osservazioni di una ridotta diversificazione antigenica e di una maggiore selezione negativa durante l’infezione cronica da HCV, insieme alla persistenza pluriennale delle varianti intrahost e delle sottopopolazioni di quasi-specie, supportano un modello di cooperazione antigenica in cui la struttura reattiva incrociata dello spazio di sequenza stesso protegge la popolazione intrahost dalla neutralizzazione AB (21).

Mascheramento dell’epitopo conservato

La conservazione dei modelli fisiochimici, i tratti di bassa entropia di Shannon, l’alta selezione negativa e l’ampia evoluzione convergente, suggerita dall’ampia cross-reattività, indicano che, anche tra virus antigenicamente variabili, la conservazione antigenica è necessaria per preservare la fitness (21, 22). Le pressioni dual-selettive per la conservazione funzionale e l’evasione immunitaria preservano un modello antigenico comune tra i virus variabili, caratterizzato da epitopi immunodominanti tolleranti alle mutazioni che mascherano domini neutralizzanti conservati, conformazionali o glicosilati occlusi (23-25). HCV, HIV e influenza mostrano questo modello, con bnAB, già una minoranza della risposta umorale, funzionalmente limitata dalla bassa accessibilità degli epitopi mirati o dalla limitata finestra di neutralizzazione offerta dal cambiamento conformazionale indotto dal legame del recettore (6). La ricerca in corso sulla mappatura dei determinanti antigenici della neutralizzazione ampia e sull’ottenimento degli anticorpi complementari, sia attraverso la reverse-vaccinology o il troncamento degli epitopi variabili dagli immunogeni del vaccino, fornisce una base per la progettazione del vaccino razionale (26). Tuttavia, le sfide nel ricostituire la maturazione dell’affinità attraverso la vaccinologia inversa, la ridotta immunogenicità degli immunogeni cancellati dagli epitopi variabili e l’occlusione degli epitopi conservati in situ suggeriscono che la progettazione di un vaccino efficace per i patogeni antigenicamente variabili potrebbe aver bisogno di mirare, piuttosto che aggirare, gli epitopi ipervariabili.

Perspettiva

La cross-reattività è necessaria ma non sufficiente per una risposta AB protettiva rivolta agli epitopi variabili. Per risolvere l’infezione in uno spazio di sequenze antigenicamente convergenti, l’AB cross-reattivo deve anche legare epitopi neutralizzanti con bassa varianza di paratopo-affinità tra gli isolati (Figura 2).

Dato che le variazioni fisico-chimiche minori possono alterare il paratopo: l’interazione dell’epitopo, quest’ultimo requisito può spiegare perché l’infezione persistente è stata attribuita alle reti di cross-reattività e alle loro caratteristiche emergenti, come l’altruismo antigenico, un fenomeno per cui la cooperazione tra le varianti cross-reattive aumenta la fitness della popolazione a spese delle varianti “sacrificali” preferenzialmente mirate dalle risposte immunitarie dell’ospite (7). Questo requisito può anche spiegare come, nonostante l’estesa cross-reattività delle risposte immunitarie che mirano agli epitopi variabili nell’infezione cronica da HCV e HIV, emergano mutanti di fuga resistenti alla neutralizzazione: la loro ridotta affinità all’AB cross-reattivo mette a rischio i requisiti stechiometrici per la neutralizzazione (27). Meccanicamente, questo fenomeno suggerisce che un criterio per le risposte ampiamente protettive agli agenti patogeni variabili è l’induzione di AB che mira indiscriminatamente a firme fisicamente convergenti all’interno di epitopi variabili di sequenza.

Le prove da entrambe le coorti cliniche e i modelli preclinici supportano la fattibilità della maturazione di affinità biasing a firme conservate all’interno di epitopi variabili. Tra i pazienti cronicamente infettati dall’HCV, la durata dell’esposizione a quasi-specie antigenicamente diverse è associata allo sviluppo di bnAB che prendono di mira i residui vincolati, suggerendo che l’esposizione ripetuta ai domini variabili attenui parzialmente l’immunodominanza e sposti la maturazione dell’affinità verso epitopi meglio conservati e presentati in modo più coerente (28). È stato anche osservato che i candidati vaccini polivalenti contro la malaria aumentano l’ampiezza della neutralizzazione orientando la risposta immunitaria verso i residui conservati (29). Modelli in silico, coerenti con i risultati clinici, descrivono questo fenomeno in termini di fitness compromessa tra le stirpi clonali con alta affinità BCR ai residui fisicamente variabili, piuttosto che conservati (30). In particolare, l’aumento dell’inclusione allelica in una formulazione di vaccino multivalente ha ampliato il cross-sallenare la neutralizzazione della malaria migliorando la risposta umorale a entrambe le facce conservate e polimorfiche dell’antigene 1 della membrana apicale della malaria (30). Questi risultati implicano la selezione per una maggiore ampiezza nAB a seguito della vaccinazione multivalente può essere operativa all’interno, piuttosto che esclusivamente tra, domini antigenici e può quindi essere compatibile con un epitopo a singola variabile che sostituisce l’antigene completo come unità immunogena funzionale.

L’inclusione indiscriminata di varianti in formulazioni polivalenti probabilmente ricapitolerebbe gli eventi nell’infezione naturale che portano alla neutralizzazione specifica del ceppo, o peggio, al potenziamento anticorpo-dipendente attraverso l’induzione di anticorpi cross-reattivi con affinità di soglia subneutralizzazione (31). Il criterio dell’inclusione di più sottotipi o della massimizzazione dell’ampiezza della sequenza nei precedenti candidati multivalenti dell’HCV può quindi essere fuorviante (32). In alternativa, la selezione di varianti basate sulla loro diversità fisico-chimica, piuttosto che sequenza-specifica o filogenetica, può accelerare la frustrazione immunitaria postulata per favorire l’induzione di una varianza AB ampiamente reattiva e a bassa affinità.

Raccomandazioni conclusive

La progettazione del vaccino inizia con un’ipotesi, informata da dati clinici, modelli animali e saggi in vitro, che descrive una risposta immune protettiva. Per i virus ipervariabili, come per altri patogeni, queste risposte sono multiformi, coinvolgendo il coordinamento tra immunità innata, cellulare e umorale (33). Criticamente, il ruolo di un vaccino protettivo non è quello di stimolare direttamente ogni componente di una risposta immunitaria di successo, ma di identificare, e quindi aumentare, la fase di mediazione che è principalmente ostacolata nell’infezione naturale. Tra gli agenti patogeni variabili, questo mediatore è l’evasione umorale basata sulla variabilità (2). Per ovviare a questo adattamento, un vaccino protettivo dovrebbe indurre anticorpi ampiamente reattivi, a bassa variabilità di affinità, che mirano a epitopi neutralizzanti stericamente accessibili. Anche se quest’ultimo requisito, basato sull’ipotesi del colpo multiplo che descrive i requisiti stoichiometrici ridotti per la neutralizzazione degli epitopi accessibili rispetto a quelli criptici, implica epitopi variabili e accessibili come candidati immunogeni, il primo suggerisce epitopi evolutivamente vincolati (27). Per risolvere questi requisiti concorrenti, un vaccino ideale dovrebbe suscitare anticorpi neutralizzanti che mirano in modo equivalente agli epitopi variabili riconoscendo i residui fisicamente conservati, piuttosto che quelli specifici del ceppo.

Data Availability Statement

I contributi originali presentati nello studio sono inclusi nell’articolo/materiale supplementare, ulteriori richieste possono essere indirizzate all’autore corrispondente.

Author Contributions

L’autore conferma di essere l’unico contributore di questo lavoro e lo ha approvato per la pubblicazione.

Conflitto di interessi

L’autore dichiara che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Abbreviazioni

HCV, virus dell’epatite C; HIV, virus dell’immunodeficienza umana; AB, anticorpo; HVR1, regione ipervariabile 1; nAB, anticorpo neutralizzante; HA, emoagglutinina; BCR, recettori delle cellule B; bnAB, ampiamente nAB; AMA1, antigene di membrana apicale di Ag-1.