Frontiers in Immunology

Introdução

A variabilidade antigênica é caracterizada pelo surgimento de variantes de seqüência distintas dentro de uma espécie, circulando entre hospedeiros, dentro de hospedeiros, ou temporalmente através de populações, para as quais a imunidade adaptativa desencadeada por uma estirpe falha em proteger contra outra (1). Como uma característica emergente da incapacidade da resposta imunitária do hospedeiro de igualar a amplitude antigênica do patógeno infectante, ou enriquecer para alvos restritos dentro dele, a diversidade de seqüências é necessária, mas não suficiente para a variabilidade antigênica. A variabilidade da sequência também deve ser seletivamente preservada em epitopos alvo da resposta imune adaptável ao hospedeiro e nos quais as mutações conferem resistência relativa ou sensibilidade a um anticorpo específico do hospedeiro ou repertório de células T. O desafio da fuga imunológica mediada pela variabilidade é exemplificado pela introdução bem sucedida de vacinas para patógenos monoantigênicos (varíola, sarampo, papeira, etc.), mas a dificuldade persistente no desenvolvimento de vacinas para patógenos variáveis, incluindo o vírus da hepatite C (HCV), vírus da imunodeficiência humana (HIV), influenza e dengue, que causam doenças graves caracterizadas por cirrose hepática, imunodeficiência, pneumonia e febre hemorrágica, respectivamente (2). Embora os mecanismos de variação adaptativa sejam diferentes entre os vírus, eles convergem em quatro padrões (Figura 1):

i. Geração de uma população intra-espécie quase-espécie caracterizada por um espectro mutante gerado por altas taxas de erro reprodutivo que sustentam um reservatório de viriões antigenicamente distintos com suscetibilidade variável à resposta host-imune.

ii. Espaço espaço-temporal definido antigênico levando à geração persistente de variantes resistentes à imunidade existente da população hospedeira regional.

iii. Espectros de aumento de infecção-imunoreatividade cruzada entre quase-espécies ou subtipos.

iv. Conservado, epitope-masking por epitopos imunodominantes variáveis, impedimento estético, ou oclusão conformacional modulada por evento.

Nem mutuamente exclusivos ou exaustivos, estes padrões tipificam desafios urgentes no desenvolvimento de vacinas para os quais as abordagens tradicionais, tais como a imunização por vírus inactivado por partículas inteiras, subunidade ou por partículas vivas, permanecem inadequadas.

Evasão mediada por quase-espécies

Quase-espécies referem-se a variantes individuais em uma população mutante diversificada (6). Embora cada quase-espécie seja uma única unidade replicativa, a progênie heterogênea e a convergência filogenética de quase-espécies contemporâneas resultam em seleção atuando sobre populações de quase-espécies, ao invés de variantes discretas. Os fenótipos são assim influenciados pela estrutura da população, com as redes interactivas de cooperativas e reactividade cruzada a influenciarem a aptidão tanto das variantes individuais como do conjunto da população (7). Forças de seleção positivas e negativas moldam a população de quase-espécies, com o espaço sequencial expandido pela primeira, através da diversificação imunomediada, e limitado pela segunda, uma vez que o aumento da carga mutacional reduz a robustez mutacional das variantes que ocupam nós distais na rede populacional. A contribuição absoluta de cada força para a estrutura genômica pode ser aproximada pela razão entre mutações sinônimas e não-sinônimas em cada par alinhado de códons, com funções replicativas de proteínas não-estruturais (NS5b polimerase do HCV) preservadas por forte seleção negativa (purgando até mesmo variantes resistentes a drogas com aptidão replicativa reduzida), e epitopos imunodominantes vulneráveis a respostas adaptativas do hospedeiro diversificadas pelos efeitos combinados da seleção positiva e plasticidade funcional inerente (8, 9). Uma característica crucial das populações de quase-espécies é, portanto, a variabilidade seletivamente preservada em regiões expostas a pressões imunes adaptativas, com a dinâmica populacional moldada pela adequação conferida por mutações nesses resíduos em relação ao cenário mutacional total de variantes contemporâneas ou precedentes e suas respostas imunes provocadas.

HIV-1 e HCV, com taxas de erro reprodutivo de 10-4 e 10-3 por nucleotídeo por réplica, respectivamente, são patógenos prototípicos para o estudo da evasão imunológica quase-espécie (10). Para ambos os vírus, a diversificação inicial está associada à glicoproteína de envelope visando anticorpos, que alteram o cenário de aptidão para favorecer variantes menores no reservatório mutante que posteriormente se expandem para se tornarem quase-espécies dominantes (3). Este padrão reducionista de fuga imunológica cíclica, expansão e depuração de quase-espécies dominantes tem sido questionado recentemente, com dinâmicas mais complexas envolvendo redes de reatividade cruzada possivelmente contribuindo para a dinâmica populacional (7). Entretanto, a seleção positiva de variantes de escape mediada por anticorpos tem sido observada tanto em modelos animais quanto em ambientes clínicos, com evidências consistentemente implicando em neutralização de cepas específicas por AB visando as regiões variáveis HIV (V1V2, C3V4) e HCV (HVR1) (11, 12). Relatos recentes sugerem, pelo menos no caso do HCV, que a diversidade de quase-espécies definida pelo HVR1 na infecção aguda prediz a progressão para a cronicidade, corroborando a relação entre diversidade populacional e aptidão, enquanto sugere que a variação antigênica não é apenas um resultado compensatório, mas um mecanismo preparatório para a pressão imune do hospedeiro (13). Infelizmente, a especificidade restrita de quase-espécies de respostas de anticorpos neutralizantes (nAB) provocadas pela infecção natural se estende à vacinação, com candidatos ao HIV e HCV repetidamente bem sucedidos na obtenção de respostas da nAB à vacina homóloga imunogênica, mas não a variantes heterólogas (14, 15).

Espaço Antígeno Definido Temporalmente

Evasão mediada por quase-espécies não semelhantes, em que a infecção simultânea com múltiplas variantes facilita a fuga intra-hospedeiro adaptativa, a influenza explora vulnerabilidades no nível de população hospedeira na memória imunológica via geração seqüencial e sazonal de variantes de fuga (4). Similar a quase-espécies, porém, a variação antigênica entre variantes sazonais é enriquecida em imunodominantes, epitopos neutralizantes específicos da cepa (16). Os subtipos gerados estocasticamente via desvio e desvio antigênico são consolidados, em termos de aptidão, por variações na infecciosidade, tropismo e atividade imune cruzada com AB existente, a nível populacional. O desenvolvimento sazonal de vacinas, portanto, prioriza a previsão de qual candidato, entre as variantes previamente descritas, irá induzir mais efetivamente respostas imunológicas que serão neutralizantes cruzadas para as variantes circulantes a cada ano (17). O desafio contínuo de prever com precisão as variantes sazonais e o risco significativo de variantes pandémicas emergentes motivam o desenvolvimento de vacinas universais (18). No entanto, a imunodominância das regiões mutationalmente tolerantes, neste caso a cabeça globular da glicoproteína hemaglutinina de superfície (HA), complica os esforços (16). De forma encorajadora, entre adultos com HA AB induzida por infecção prévia, tem sido observada uma forte resposta de recall quando desafiados por novas linhagens, especialmente aqueles que compartilham epitopos neutralizantes (19). Isso implica em uma imunidade parcialmente protetora e primada pode caracterizar a exposição repetida a patógenos variáveis, onde receptores de células B reativos cruzados (BCRs) podem ser estimulados por, e a afinidade amadurecida com, novas cepas, resultando em afinidade paratopica sucessivamente aumentada a epitopos imunoconservados e subdominantes.

Reactividade Cruzada, Cooperação Antigénica e Melhoramento AnticorpoDependente

A ligação promíscua de AB provocada por um antigénio a outro pode ser protectora, intensificadora da infecção, ou ambas, em diferentes extensões, dependendo do espaço antigénico. Instâncias do primeiro caracterizam amplamente a nAB (bnAB), que, via interação paratope com resíduos conservados críticos para a entrada viral, ligam-se indiscriminadamente e neutralizam uma população de variantes antigenicamente diversas (20). Os anticorpos que aumentam a infecção, em contraste, têm como alvo epitopos reactivos cruzados com afinidades variadas, por vezes neutralizando variantes de alta afinidade enquanto, através do recrutamento de alvos de tropismo viral, facilitam a entrada de variantes de baixa afinidade (5). Apesar dos mecanismos precisos, as contribuições variáveis da especificidade de epitopos, acessibilidade e maturidade virional em infecções sucessivas por diferentes subtipos de dengue sugerem a sequência imunológica seguindo a ligação do AB, baseada nas funções effectoras mediadas por Fc e afinidade do paratope (koff/kon) ao(s) epitopo(s) visado(s), em vez da simples ocupação estéril de domínios receptores de ligação, medeia a neutralização (5). Contribuições circunstanciais à neutralização mediada por anticorpos, entre populações virais estruturadas de quase-espécies, estendem-se para além dos mediadores imunitários do hospedeiro ao espaço de sequência intra-hospedeiro e à rede correspondente de reactividade cruzada. Consideradas num espectro de afinidade, as variantes de alta afinidade podem, através do enriquecimento com AB reativo cruzado, funcionar como altruísta antigênico, facilitando a persistência de variantes de baixa afinidade às quais a maturação de afinidade quase-espécie específica tem sido frustrada (7). Observações de redução da diversificação antigênica e aumento da seleção negativa durante a infecção crônica pelo HCV, juntamente com a persistência plurianual de variantes intra-espécies e subpopulações quase-espécies, apóiam um modelo de cooperação antigênica pelo qual a estrutura reativa cruzada do próprio espaço sequencial protege a população intra-espacial da neutralização do AB (21).

Máscara Epitope Conservada

Conservação de padrões físico-químicos, trechos de baixa entropia de Shannon, alta seleção negativa e extensa evolução convergente, sugerida por ampla reatividade cruzada, indicam que, mesmo entre vírus antigenicamente variáveis, a conservação antigênica é necessária para preservar a aptidão física (21, 22). As pressões dual-seletivas para conservação funcional e evasão imunológica preservam um padrão antigênico comum entre vírus variáveis, marcado por epitópo(s) imunodominante(s) mutationalmente tolerante(s) mascarado(s) conservado(s), conformado(s) ou ocluído(s) por glicosilação, neutralizando domínios (23-25). HCV, HIV e influenza apresentam esse padrão, com bnAB, já uma minoria da resposta humoral, funcionalmente limitada pela baixa acessibilidade dos epitopos alvo ou pela janela de neutralização limitada proporcionada pela mudança conformacional induzida pela ligação dos receptores (6). A investigação em curso sobre o mapeamento dos determinantes antigénicos da neutralização ampla e da elucidação dos anticorpos complementares, quer através da vacinologia reversa, quer através da truncagem dos epitopos variáveis dos imunogéneos vacinais, fornece uma base para a concepção racional da vacina (26). Entretanto, desafios na reconstituição da maturação por afinidade através da vacinologia reversa, imunogenicidade reduzida dos imunógenos eliminados de epitopos variáveis e oclusão dos epitopos conservados in situ sugerem que o projeto de vacina eficaz para patógenos antigenicamente variáveis pode precisar visar, em vez de contornar, os epitopos hipervariáveis.

Perspectiva

Reactividade cruzada é necessária, mas não suficiente para uma resposta protetora do AB visando epitopos variáveis. Para resolver a infecção em um espaço de sequência antigenicamente convergente, o AB reativo cruzado também deve ligar epitopos neutralizantes com baixa variação de parato-afinidade entre isolados (Figura 2).

Dadas variações físico-químicas menores podem alterar o paratope: interação epitope, este último requisito pode explicar porque a infecção persistente foi atribuída a redes de reatividade cruzada e suas características emergentes, como o altruísmo antigênico, um fenômeno pelo qual a cooperação entre variantes reativas cruzadas aumenta a aptidão da população às custas das variantes “sacrificial” preferencialmente visadas pelas respostas imunes do hospedeiro (7). Este requisito também pode explicar como, apesar da extensa reactividade cruzada de epitopos variáveis visando respostas imunitárias no HCV crónico e na infecção pelo HIV, surgem mutantes de fuga resistentes à neutralização: a sua reduzida afinidade com AB reactivo cruzado compromete os requisitos estequiométricos para a neutralização (27). Mecanisticamente, este fenômeno sugere um critério para respostas amplamente protetoras a patógenos variáveis é a indução de AB indiscriminadamente visando assinaturas fisico-quimicamente convergentes dentro de epitopes variáveis de seqüência.

Avidência tanto de coortes clínicas quanto de modelos pré-clínicos suporta a viabilidade da maturação de afinidade tendenciosa para assinaturas conservadas dentro de epitopes variáveis. Entre os pacientes cronicamente infectados com HCV, o tempo de exposição a quase-espécies antigenicamente diversas está associado ao desenvolvimento de bnAB visando resíduos restritos, sugerindo que a exposição repetida a domínios variáveis atenua parcialmente a imunodominância e desloca a maturação de afinidade para epitopos mais conservados e apresentados de forma mais consistente (28). Os candidatos à vacina polivalente contra a malária também têm sido observados para aumentar a amplitude da neutralização, enviesando a resposta imunológica aos resíduos conservados (29). Em modelos silico, consistentes com os achados clínicos, descrevem este fenômeno em termos de comprometimento da aptidão física entre linhagens clonais com alta afinidade BCR a resíduos fisico-quimicamente variáveis, em vez de conservados (30). Especificamente, a crescente inclusão alélica em uma formulação de vacina multivalente ampliou aTreinar a neutralização da malária, melhorando a resposta humoral às faces conservadas e polimórficas do antígeno da membrana apical da malária 1 (30). Estes achados implicam a seleção para uma maior amplitude da nAB após a vacinação multivalente pode ser operante dentro, e não apenas entre, domínios antigênicos e, portanto, pode ser compatível com um epitópo único, substituindo o antígeno de comprimento total como a unidade imunogênica funcional.

A inclusão indiscriminada de variantes em formulações polivalentes provavelmente recapitularia os eventos na infecção natural levando à neutralização específica da cepa, ou pior, ao realce anti-corpo dependente da indução de anticorpos reativos cruzados com afinidade do limiar de subneutralização (31). O critério de inclusão multisubtipo ou maximização da amplitude da sequência em candidatos anteriores multivalentes ao HCV pode, portanto, ser mal orientado (32). Alternativamente, a seleção de variantes com base em sua físico-química, ao invés de seqüências específicas ou diversidade filogenética, pode acelerar a frustração imunológica postulada para favorecer a indução de variância amplamente reativa e de baixa afinidade AB.

Observações Finais

O desenho racional da vacina começa com uma hipótese, informada por dados clínicos, modelos animais e ensaios in vitro, descrevendo uma resposta imunológica protetora. Para vírus hipervariáveis, como outros patógenos, estas respostas são multifacetadas, envolvendo coordenação entre imunidade inata, celular e humoral (33). Criticamente, o papel de uma vacina protetora não é estimular diretamente cada componente de uma resposta imune bem sucedida, mas identificar, e depois aumentar, a etapa mediadora que é principalmente obstruída por uma infecção natural. Entre os patógenos variáveis, esse mediador é a evasão humoral baseada na variabilidade (2). Para obviar esta adaptação, uma vacina protetora precisaria induzir anticorpos amplamente reativos, de baixa variação de afinidade, que visam epitopos estereiramente acessíveis e neutralizantes. Embora o último requisito, baseado na hipótese de múltiplos impactos descrevendo requisitos estequiométricos reduzidos para a neutralização de epitopos acessíveis em relação a epitopos crípticos, implique epitopos variáveis e acessíveis como candidatos a imunogénicos, o primeiro sugere epitopos com restrições evolutivas (27). Para resolver estes requisitos concorrentes, uma vacina ideal provocaria anticorpos neutralizantes que visam de forma equivalente os epitopos variáveis através do reconhecimento de resíduos fisiochemicamente conservados, em vez de resíduos específicos da estirpe.

Data Availability Statement

As contribuições originais apresentadas no estudo estão incluídas no artigo/material complementar, outras consultas podem ser dirigidas ao autor correspondente.

Author Contributions

O autor confirma ser o único contribuinte deste trabalho e o aprovou para publicação.

Conflito de interesses

O autor declara que a pesquisa foi conduzida na ausência de qualquer relação comercial ou financeira que pudesse ser interpretada como um potencial conflito de interesses.

A abreviações

VHCV, vírus da hepatite C; HIV, vírus da imunodeficiência humana; AB, anticorpo; HVR1, região hipervariável 1; nAB, anticorpo neutralizante; HA, hemaglutinina; BCR, receptores de células B; bnAB, amplamente nAB; AMA1, antígeno de membrana apical Ag-1.