Frontiers in Immunology

Wprowadzenie

Zmienność antygenowa charakteryzuje się pojawieniem się odmiennych sekwencyjnie wariantów w obrębie gatunku, krążących między gospodarzami, w obrębie gospodarzy lub czasowo między populacjami, dla których odporność adaptacyjna wywołana przez jeden szczep nie chroni przed innym (1). Jako cecha wynikająca z niezdolności odpowiedzi immunologicznej gospodarza do dopasowania się do zakresu antygenowego lub wzbogacenia się o ograniczone cele w obrębie infekującego patogenu, różnorodność sekwencji jest konieczna, ale niewystarczająca dla zmienności antygenowej. Zmienność sekwencji musi być również selektywnie zachowana w epitopach, na które skierowana jest adaptacyjna odpowiedź immunologiczna gospodarza i w których mutacje nadają względną odporność lub wrażliwość na specyficzny dla gospodarza repertuar przeciwciał lub limfocytów T. Przykładem wyzwania, jakim jest ucieczka immunologiczna spowodowana zmiennością, jest udane wprowadzenie szczepionek przeciwko monoantygenowym patogenom (ospa wietrzna, odra, świnka itp.), ale utrzymujące się trudności w opracowaniu szczepionki przeciwko zmiennym patogenom, w tym wirusowi zapalenia wątroby typu C (HCV), ludzkiemu wirusowi niedoboru odporności (HIV), grypie i dendze, które wywołują poważne choroby charakteryzujące się odpowiednio marskością wątroby, niedoborem odporności, zapaleniem płuc i gorączką krwotoczną (2). Chociaż mechanizmy zmienności adaptacyjnej różnią się między wirusami, to jednak zbiegają się w czterech schematach (rysunek 1):

i. Generowanie wewnątrzhostowej quasi-gatunkowej populacji charakteryzującej się spektrum mutacji generowanych przez wysokie wskaźniki błędów replikacyjnych, które podtrzymują rezerwuar antygenowo odrębnych wirusów o różnej podatności na odpowiedź immunologiczną gospodarza.

ii. Przestrzeń antygenowa zdefiniowana przestrzennie, prowadząca do trwałego generowania wariantów odpornych na istniejącą odporność regionalnej populacji gospodarza.

iii. Widma wzmacniającej infekcję krzyżowej immunoreaktywności między quasi-gatunkami lub podtypami.

iv. Konserwatywne, maskowanie epitopów przez zmienne immunodominujące epitopy, przeszkoda steryczna lub modulowana zdarzeniem okluzja konformacyjna.

Ani wzajemnie się nie wykluczają, ani nie wyczerpują, te wzorce typizują pilne wyzwania w rozwoju szczepionek, dla których tradycyjne podejścia, takie jak immunizacja żywym atenuowanym, podjednostkowym lub całopostaciowym inaktywowanym wirusem, pozostają nieodpowiednie.

Quasi-Species-Mediated Evasion

Quasi-gatunki odnoszą się do indywidualnych wariantów w zmutowanej zróżnicowanej populacji (6). Chociaż każdy quasi-gatunek jest pojedynczą replikującą się jednostką, heterogeniczne potomstwo i filogenetyczna zbieżność współistniejących quasi-gatunków skutkują selekcją działającą na populacje quasi-gatunków, a nie na dyskretne warianty. Fenotypy są zatem kształtowane przez strukturę populacji, z wzajemnie oddziałującymi sieciami kooperatywności i reaktywności krzyżowej, wpływającymi na kondycję zarówno poszczególnych wariantów, jak i zespołu populacji (7). Pozytywne i negatywne siły selekcji kształtują quasi-gatunkową populację, z przestrzenią sekwencji rozszerzoną przez pierwszą z nich, poprzez zróżnicowanie wspomagane przez układ odpornościowy, i ograniczoną przez drugą, ponieważ rosnące obciążenie mutacyjne zmniejsza odporność na mutacje wariantów zajmujących odległe węzły w sieci populacji. Bezwzględny wkład każdej z sił w strukturę genomu może być wyrażony stosunkiem mutacji synonimicznych do niesynonimicznych w każdej parze kodonów, przy czym funkcje replikacyjne białek niestrukturalnych (polimerazy NS5b wirusa HCV) są zachowane dzięki silnej selekcji negatywnej (usuwającej nawet lekooporne warianty o obniżonej sprawności replikacyjnej), a immunodominujące epitopy podatne na adaptacyjne odpowiedzi gospodarza są różnicowane przez połączone efekty selekcji pozytywnej i wrodzonej plastyczności funkcjonalnej (8, 9). Kluczową cechą quasi-gatunkowych populacji jest zatem selektywnie zachowana zmienność w regionach narażonych na adaptacyjną presję immunologiczną, z dynamiką populacji kształtowaną przez kondycję przyznawaną przez mutacje w tych resztach w stosunku do całkowitego krajobrazu mutacyjnego współczesnych lub poprzedzających wariantów i ich sprowokowanych odpowiedzi immunologicznych.

HIV-1 i HCV, z poziomami błędów replikacyjnych wynoszącymi odpowiednio 10-4 i 10-3 na nukleotyd na replikację, są prototypowymi patogenami do badania quasi-gatunkowego unikania odporności (10). W przypadku obu wirusów, początkowa dywersyfikacja jest związana z przeciwciałami skierowanymi przeciwko glikoproteinie otoczki, które zmieniają krajobraz kondycji, faworyzując pomniejsze warianty w zmutowanym rezerwuarze, które następnie rozszerzają się, by stać się dominującymi quasi-gatunkami (3). Ten redukcjonistyczny wzorzec cyklicznej ucieczki immunologicznej, ekspansji i usuwania dominujących quasi-gatunków został ostatnio zakwestionowany, z bardziej złożoną dynamiką obejmującą sieci reaktywności krzyżowej, która prawdopodobnie przyczynia się do dynamiki populacji (7). Jednak zarówno w modelach zwierzęcych, jak i w warunkach klinicznych zaobserwowano pozytywną selekcję wariantów ucieczki pod wpływem przeciwciał, przy czym dowody konsekwentnie wskazują na neutralizację swoistych szczepów przez AB skierowane na zmienne regiony HIV (V1V2, C3V4) i HCV (HVR1) (11, 12). Ostatnie doniesienia sugerują, przynajmniej w przypadku HCV, że zdefiniowana w HVR1 quasi-gatunkowa różnorodność w ostrej infekcji przewiduje progresję do przewlekłości, potwierdzając związek między różnorodnością populacji a kondycją, jednocześnie sugerując, że zmienność antygenowa jest nie tylko kompensacyjnym wynikiem, ale mechanizmem przygotowawczym do presji immunologicznej gospodarza (13). Niestety, ograniczona quasi-gatunkowa swoistość odpowiedzi przeciwciał neutralizujących (nAB) wywoływanych przez naturalne zakażenie rozciąga się na szczepienia, przy czym kandydaci na HIV i HCV wielokrotnie z powodzeniem wywoływali odpowiedzi nAB na homologiczny immunogen szczepionki, ale nie na warianty heterologiczne (14, 15).

Przestrzennie zdefiniowana przestrzeń antygenowa

W przeciwieństwie do uchylania się od zakażenia z udziałem quasi-gatunków, w którym jednoczesne zakażenie wieloma wariantami ułatwia wewnątrzgospodarzową ucieczkę adaptacyjną, grypa wykorzystuje słabości pamięci immunologicznej na poziomie populacji gospodarza poprzez sekwencyjne, sezonowe generowanie wariantów ucieczki (4). Podobnie jednak jak w przypadku quasi-gatunków, zróżnicowanie antygenowe pomiędzy wariantami sezonowymi jest wzbogacone w immunodominujące, specyficzne dla danego szczepu epitopy neutralizujące (16). Podtypy generowane stochastycznie w wyniku przesunięcia antygenowego i dryfu są skonsolidowane pod względem kondycji przez różnice w zakaźności, tropizm i krzyżową immunoreaktywność z istniejącymi na poziomie populacji AB. Opracowanie szczepionki sezonowej ma zatem na celu przede wszystkim przewidzenie, który kandydat, spośród wcześniej opisanych wariantów, będzie najskuteczniej indukował odpowiedzi immunologiczne, które będą neutralizować krzyżowo krążące warianty każdego roku (17). Ciągłe wyzwanie związane z dokładnym przewidywaniem wariantów sezonowych i znaczne ryzyko pojawienia się wariantów pandemicznych skłaniają do opracowania szczepionek uniwersalnych (18). Jednakże, podobnie jak w przypadku HIV i HCV, immunodominacja regionów tolerujących mutacje, w tym przypadku globularnej głowy glikoproteiny powierzchniowej hemaglutyniny (HA), komplikuje wysiłki (16). Zachęcające jest to, że wśród dorosłych z wcześniejszym zakażeniem wywołanym HA AB, zaobserwowano silną odpowiedź przypominającą po zakażeniu nowymi szczepami, szczególnie tymi, które mają wspólne neutralizujące epitopy (19). Sugeruje to, że częściowo ochronna, pierwotna odporność może charakteryzować powtarzającą się ekspozycję na zmienne patogeny, dzięki czemu krzyżowo reagujące receptory komórek B (BCR) mogą być stymulowane przez nowe szczepy i dojrzewać w powinowactwie do nich, co powoduje sukcesywne zwiększanie powinowactwa paratopowego do krzyżowo konserwowanych, immunogennie subdominujących epitopów.

Reaktywność krzyżowa, współpraca antygenowa i wzmocnienie zależne od przeciwciał

Promiskujące wiązanie AB wywołane przez jeden antygen z innym może być ochronne, wzmacniające infekcję lub oba, w różnym stopniu, w zależności od przestrzeni antygenowej. Przykłady tych pierwszych charakteryzują szeroko nAB (bnAB), które poprzez interakcję paratopową z konserwowanymi resztami krytycznymi dla wejścia wirusa, bezkrytycznie wiążą i neutralizują populację antygenowo zróżnicowanych wariantów (20). Przeciwciała wzmacniające infekcję, w przeciwieństwie do nich, celują w krzyżowo reagujące epitopy z różnym powinowactwem, czasami neutralizując warianty o wysokim powinowactwie, podczas gdy poprzez rekrutację celów tropizmu wirusowego, ułatwiają wnikanie wariantów o niskim powinowactwie (5). Niezależnie od dokładnych mechanizmów, różny udział swoistości epitopów, dostępności i dojrzałości wirionów w kolejnych zakażeniach różnymi podtypami dengi sugeruje, że sekwencja immunologiczna po związaniu AB, oparta na funkcjach efektorowych pośredniczonych przez Fc i powinowactwie paratopów (koff/kon) do docelowych epitopów, a nie tylko na sterycznej okupacji domen wiążących receptory, pośredniczy w neutralizacji (5). Przypuszczalny udział w neutralizacji pośredniczonej przez przeciwciała, wśród quasi-gatunkowo zorganizowanych populacji wirusów, wykracza poza mediatory immunologiczne gospodarza do przestrzeni sekwencji wewnątrzhostowych i odpowiadającej im sieci reaktywności krzyżowej. Rozpatrywane na spektrum powinowactwa, warianty o wysokim powinowactwie mogą, poprzez wzbogacenie o reagujące krzyżowo AB, funkcjonować jako antygenowi altruiści poprzez ułatwianie przetrwania wariantów o niższym powinowactwie, do których quasi-specyficzne dojrzewanie powinowactwa zostało udaremnione (7). Obserwacje zmniejszonego zróżnicowania antygenowego i zwiększonej selekcji negatywnej podczas przewlekłego zakażenia HCV, w połączeniu z wieloletnim utrzymywaniem się wewnątrzhostowych wariantów i quasi-specyficznych subpopulacji, wspierają model współpracy antygenowej, w którym krzyżowo reaktywna struktura przestrzeni sekwencji sama w sobie chroni populację wewnątrzhostową przed neutralizacją AB (21).

Conserved Epitope Masking

Zachowanie wzorców fizykochemicznych, odcinki o niskiej entropii Shannona, wysoka selekcja negatywna i rozległa ewolucja konwergentna, sugerowana przez szeroką reaktywność krzyżową, wskazują, że nawet wśród antygenowo zmiennych wirusów, konserwacja antygenowa jest wymagana do zachowania sprawności (21, 22). Podwójnie selektywne naciski na zachowanie funkcji i unikanie odporności zachowują wspólny wzór antygenowy w zmiennych wirusach, charakteryzujący się tolerowanym przez mutacje, immunodominującym epitopem(ami) maskującym konserwowane, konformacyjnie lub glikozylacyjnie okluzyjne, neutralizujące domeny (23-25). HCV, HIV i grypa wykazują ten wzorzec, przy czym bnAB, już jako mniejszość odpowiedzi humoralnej, jest funkcjonalnie ograniczona przez niską dostępność docelowych epitopów lub ograniczone okno neutralizacji zapewnione przez zmianę konformacyjną wywołaną wiązaniem receptora (6). Trwające badania nad mapowaniem antygenowych determinantów szerokiej neutralizacji i wywoływaniem uzupełniających przeciwciał, poprzez odwrotną szczepionkę lub obcięcie zmiennych epitopów z immunogenów szczepionkowych, stanowią podstawę dla racjonalnego projektowania szczepionek (26). Jednak wyzwania związane z odtworzeniem dojrzewania powinowactwa poprzez wakcynologię odwrotną, zmniejszona immunogenność immunogenów pozbawionych zmiennych epitopów oraz okluzja konserwatywnych epitopów in situ sugerują, że skuteczny projekt szczepionki przeciwko zmiennym antygenowo patogenom może wymagać ukierunkowania na epitopy hiper-zmienne, a nie ich omijania.

Perspektywa

Reaktywność krzyżowa jest konieczna, ale niewystarczająca dla ochronnej odpowiedzi AB ukierunkowanej na zmienne epitopy. Aby rozwiązać problem zakażenia w antygenowo zbieżnej przestrzeni sekwencji, krzyżowo reagujące AB musi również wiązać neutralizujące epitopy o niskiej zmienności paratopowo-afinitycznej między izolatami (rysunek 2).

Zważywszy, że drobne zmiany fizykochemiczne mogą zmieniać interakcję paratop: epitop, ten ostatni wymóg może wyjaśniać, dlaczego uporczywa infekcja została przypisana sieciom reaktywności krzyżowej i ich wyłaniającym się cechom, takim jak altruizm antygenowy, zjawisko, w którym współpraca między wariantami reagującymi krzyżowo zwiększa kondycję populacji kosztem wariantów „ofiarnych”, preferencyjnie ukierunkowanych przez odpowiedzi immunologiczne gospodarza (7). Ten wymóg może również wyjaśniać, jak pomimo szerokiej reaktywności krzyżowej odpowiedzi immunologicznej skierowanej na zmienne epitopy w przewlekłym zakażeniu HCV i HIV, pojawiają się mutanty ucieczkowe odporne na neutralizację: ich zmniejszone powinowactwo do krzyżowo reagujących AB zagraża stechiometrycznym wymaganiom dla neutralizacji (27). Mechanistycznie, zjawisko to sugeruje, że jednym z kryteriów szerokiej odpowiedzi ochronnej na zmienne patogeny jest indukcja AB bezkrytycznie ukierunkowana na fizykochemicznie zbieżne sygnatury w obrębie zmiennych epitopów sekwencji.

Dowody zarówno z kohort klinicznych, jak i modeli przedklinicznych wspierają wykonalność diagnozowania dojrzewania powinowactwa do konserwowanych sygnatur w obrębie zmiennych epitopów. Wśród pacjentów przewlekle zakażonych HCV, długość ekspozycji na antygenowo zróżnicowane quasi-gatunki jest związana z rozwojem bnAB ukierunkowanego na ograniczone reszty, co sugeruje, że powtarzająca się ekspozycja na zmienne domeny częściowo osłabia immunodominację i przesuwa dojrzewanie powinowactwa w kierunku lepiej zachowanych, bardziej spójnie prezentowanych epitopów (28). Zaobserwowano również, że poliwalentni kandydaci do szczepionki przeciwko malarii zwiększają zakres neutralizacji poprzez ukierunkowanie odpowiedzi immunologicznej na konserwowane reszty (29). Modele in silico, zgodne z obserwacjami klinicznymi, opisują to zjawisko w kategoriach upośledzonej kondycji wśród linii klonalnych o wysokim powinowactwie BCR do fizykochemicznie zmiennych, a nie konserwowanych reszt (30). W szczególności, zwiększenie liczby alleli w preparacie szczepionki wielowartościowej poszerzyło zakres krzyżowego oddziaływania szczepionki.trenować neutralizację malarii poprzez wzmocnienie odpowiedzi humoralnej zarówno na konserwatywne, jak i polimorficzne oblicza antygenu 1 błony szczytowej malarii (30). Odkrycia te sugerują, że selekcja w celu zwiększenia szerokości nAB po szczepieniu wielowartościowym może działać w obrębie domen antygenowych, a nie wyłącznie między nimi, i dlatego może być zgodna z pojedynczym zmiennym epitopem zastępującym antygen o pełnej długości jako funkcjonalną jednostkę immunogenu.

Niedyskryminacyjne włączenie wariantów do preparatów poliwalentnych prawdopodobnie odtworzyłoby wydarzenia w naturalnej infekcji prowadzące do specyficznej dla szczepu neutralizacji lub, co gorsza, wzmocnienia zależnego od przeciwciał poprzez indukcję przeciwciał reagujących krzyżowo z progowym powinowactwem subneutralizacji (31). Kryterium włączenia wielu podtypów lub maksymalizacji szerokości sekwencji we wcześniejszych wielowartościowych kandydatach HCV może być zatem błędne (32). Alternatywnie, wybór wariantów w oparciu o ich fizykochemiczne, a nie specyficzne dla sekwencji lub filogenetyczne zróżnicowanie, może przyspieszyć frustrację immunologiczną postulowaną jako sprzyjającą indukcji szeroko reaktywnej, o niskim powinowactwie, wariancji AB.

Uwagi końcowe

Rozsądny projekt szczepionki rozpoczyna się od hipotezy, poinformowanej przez dane kliniczne, modele zwierzęce i badania in vitro, opisującej ochronną odpowiedź immunologiczną. W przypadku wirusów hiper-zmiennych, podobnie jak w przypadku innych patogenów, odpowiedź ta jest wielopłaszczyznowa, obejmująca koordynację wrodzonej, komórkowej i humoralnej odporności (33). Co istotne, rola szczepionki ochronnej nie polega na bezpośrednim stymulowaniu każdego składnika skutecznej odpowiedzi immunologicznej, ale na zidentyfikowaniu, a następnie wzmocnieniu etapu pośredniczącego, który jest przede wszystkim utrudniony w naturalnej infekcji. Wśród zmiennych patogenów, tym mediatorem jest oparte na zmienności unikanie humoralne (2). Aby wyeliminować to przystosowanie, szczepionka ochronna musiałaby wywoływać szeroko reaktywne przeciwciała o niskiej zmienności powinowactwa, które celują w sterycznie dostępne, neutralizujące epitopy. Chociaż ten drugi wymóg, oparty na hipotezie wielokrotnego trafienia opisującej zmniejszone wymagania stechiometryczne dla neutralizacji dostępnych w stosunku do kryptycznych epitopów, implikuje zmienne, dostępne epitopy jako kandydatów na immunogeny, pierwszy sugeruje ewolucyjnie ograniczone epitopy (27). Aby rozwiązać te konkurujące wymagania, idealna szczepionka wywoływałaby neutralizujące przeciwciała, które w równoważny sposób celują w zmienne epitopy, rozpoznając fizjochemicznie konserwowane, a nie specyficzne dla szczepu pozostałości.

Data Availability Statement

Oryginalny wkład przedstawiony w pracy jest zawarty w artykule/materiale uzupełniającym, dalsze pytania można kierować do autora korespondującego.

Author Contributions

Autor potwierdza, że jest jedynym współautorem tej pracy i zatwierdził ją do publikacji.

Konflikt interesów

Autor oświadcza, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych powiązań, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Abbreviations

HCV, hepatitis C virus; HIV, human immunodeficiency virus; AB, antibody; HVR1, hypervariable region 1; nAB, neutralizing antibody; HA, hemaglutininin; BCR, B-cell receptors; bnAB, broadly nAB; AMA1, Ag apical membrane antigen-1.

.