Frontiers in Immunology

Introducere

Variabilitatea antigenică se caracterizează prin apariția unor variante distincte din punct de vedere al secvenței în cadrul unei specii, care circulă între gazde, în cadrul gazdelor sau în timp între populații, pentru care imunitatea adaptivă declanșată de o tulpină nu protejează împotriva altei tulpini (1). Ca trăsătură care rezultă din incapacitatea răspunsului imunitar al gazdei de a se potrivi cu amploarea antigenică a agentului patogen infectant sau de a se îmbogăți pentru ținte limitate în cadrul acestuia, diversitatea secvențelor este necesară, dar nu suficientă pentru variabilitatea antigenică. Variabilitatea secvenței trebuie, de asemenea, să fie păstrată în mod selectiv în epitopi vizați de răspunsul imunitar adaptiv al gazdei ș i în care mutațiile conferă rezistență sau sensibilitate relativă la un anticorp specific gazdei sau la un repertoriu de celule T. Provocarea reprezentată de evadarea imunitară mediată de variabilitate este exemplificată de introducerea cu succes a vaccinurilor pentru agenții patogeni monoantigenici (variola, rujeola, oreionul etc.), dar de dificultatea persistentă în dezvoltarea de vaccinuri pentru agenții patogeni variabili, inclusiv virusul hepatitei C (VHC), virusul imunodeficienței umane (HIV), gripa și dengue, care provoacă boli grave caracterizate prin ciroză hepatică, imunodeficiență, pneumonie și, respectiv, febră hemoragică (2). Deși mecanismele de variație adaptativă diferă de la un virus la altul, acestea converg către patru modele (figura 1):

i. Generarea unei populații de cvasi-specii în interiorul gazdei, caracterizată de un spectru mutant generat de rate ridicate de erori de replicare care întrețin un rezervor de virioni distinși din punct de vedere antigenic, cu sensibilitate variabilă la răspunsul imunitar al gazdei.

ii. Spațiu antigenic definit spațiotemporal care conduce la generarea persistentă de variante rezistente la imunitatea existentă a populației gazdă regionale.

iii. Spectre de imunoreactivitate încrucișată care sporește infecția între cvasi-specii sau subtipuri.

iv. Conservarea, mascarea epitopică prin epitopi imunodominanți variabili, obstacolul steric sau ocluzia conformațională modulată de evenimente.

Nu se exclud reciproc sau nu sunt exhaustive, aceste modele caracterizează provocările urgente în dezvoltarea de vaccinuri pentru care abordările tradiționale, cum ar fi imunizarea cu virusuri vii atenuate, cu subunități sau cu particule întregi inactivate, rămân inadecvate.

Evaziunea mediată de cvasi-specii

Cvasi-specii se referă la variante individuale într-o populație diversificată mutantă (6). Deși fiecare cvasiespecie este o singură unitate de replicare, descendența heterogenă și convergența filogenetică a cvasiespeciilor contemporane au ca rezultat selecția care acționează asupra populațiilor de cvasiespecii, mai degrabă decât asupra variantelor discrete. Prin urmare, fenotipurile sunt influențate de structura populației, rețelele de interacțiune ale cooperativității și reactivității încrucișate influențând atât capacitatea fizică a variantelor individuale, cât și a ansamblului populației (7). Forțele de selecție pozitivă și negativă modelează populația de cvasi-specii, spațiul de secvențe fiind extins de prima, prin diversificarea mediată de sistemul imunitar, și constrâns de cea de-a doua, deoarece creșterea încărcăturii mutaționale reduce robustețea mutațională a variantelor care ocupă noduri distale în rețeaua populației. Contribuția absolută a fiecărei forțe la structura genomică poate fi aproximată prin raportul dintre mutațiile sinonime și cele nesinonime la fiecare pereche de codoni aliniați, funcțiile replicative ale proteinelor nestructurale (polimeraza NS5b a HCV) fiind conservate prin selecție negativă puternică (eliminând chiar și variantele rezistente la medicamente cu capacitate replicativă redusă), iar epitopi imunodominanți vulnerabili la răspunsurile adaptative ale gazdei diversificate prin efectele combinate ale selecției pozitive și ale plasticității funcționale inerente (8, 9). O caracteristică crucială a populațiilor de cvasi-specii este, prin urmare, variabilitatea conservată în mod selectiv în regiunile expuse la presiuni imunitare adaptative, dinamica populației fiind modelată de fitness-ul conferit de mutațiile din aceste reziduuri în raport cu peisajul mutațional total al variantelor contemporane sau precedente și cu răspunsurile imunitare provocate de acestea.

HIV-1 și HCV, cu rate de eroare de replicare de 10-4 și, respectiv, 10-3 per nucleotidă per replicare, sunt agenți patogeni prototipici pentru studierea evaziunii imunitare mediate de cvasi-specii (10). În cazul ambelor virusuri, diversificarea inițială este asociată cu anticorpii care țintesc glicoproteinele de înveliș, care modifică peisajul de fitness pentru a favoriza variantele minore din rezervorul de mutanți care se extind ulterior pentru a deveni cvasi-specii dominante (3). Acest model reducționist al scăpării imune ciclice, al expansiunii și al eliminării cvasi-speciilor dominante a fost recent pus sub semnul întrebării, o dinamică mai complexă care implică rețele de reactivitate încrucișată putând contribui la dinamica populației (7). Cu toate acestea, selecția pozitivă mediată de anticorpi a variantelor de evadare a fost observată atât în modelele animale, cât și în mediile clinice, existând dovezi consistente care implică neutralizarea specifică a tulpinii de către AB care vizează regiunile variabile ale HIV (V1V2, C3V4) și HCV (HVR1) (11, 12). Rapoartele recente sugerează, cel puțin în cazul HCV, că diversitatea cvasi-speciară definită de HVR1 în infecția acută prezice evoluția spre cronicitate, coroborând relația dintre diversitatea populației și fitness, sugerând în același timp că variația antigenică nu este doar un rezultat compensatoriu al presiunii imunitare a gazdei, ci și un mecanism pregătitor pentru aceasta (13). Din nefericire, specificitatea cvasi-specifică restrânsă a răspunsurilor anticorpilor neutralizanți (nAB) provocate de infecția naturală se extinde la vaccinare, candidații HIV și VHC reușind în mod repetat să provoace răspunsuri nAB la imunogenul omolog al vaccinului, dar nu și la variantele heterologe (14, 15).

Spațiu antigenic definit spațiotemporal

În mod diferit de evaziunea mediată de cvasispecii, în care infecția concomitentă cu mai multe variante facilitează evadarea adaptivă în interiorul gazdei, gripa exploatează vulnerabilitățile de la nivelul populației gazdă în memoria imunitară prin generarea secvențială, sezonieră, a variantelor de evadare (4). Cu toate acestea, la fel ca în cazul cvasi-speciilor, variația antigenică dintre variantele sezoniere este îmbogățită în epitopi de neutralizare specifici tulpinii, imunodominanți (16). Subtipurile generate în mod stocastic prin deplasare și derivă antigenică sunt consolidate, din punct de vedere al adecvării, prin variații în ceea ce privește infecțiozitatea, tropismul și imunoreactivitatea încrucișată cu AB existente, la nivel de populație. Prin urmare, dezvoltarea de vaccinuri sezoniere are ca prioritate prezicerea candidatului, dintre variantele descrise anterior, care va induce cel mai eficient răspuns imunitar care va fi cross-neutralizant față de variantele care circulă în fiecare an (17). Provocarea continuă de a prezice cu exactitate variantele sezoniere și riscul semnificativ de apariție a unor variante pandemice motivează dezvoltarea de vaccinuri universale (18). Cu toate acestea, la fel ca în cazul HIV și HCV, imunodominanța regiunilor tolerante la mutații, în acest caz capul globular al glicoproteinei de suprafață hemaglutinină (HA), complică eforturile (16). În mod încurajator, în rândul adulților cu HA AB indusă de o infecție anterioară, a fost observat un răspuns puternic de reamintire atunci când au fost provocați cu tulpini noi, în special cele care împărtășesc epitopi neutralizanți (19). Acest lucru implică faptul că o imunitate parțial protectoare, amorsată, poate caracteriza expunerea repetată la agenți patogeni variabili, prin care receptorii de celule B (BCR) cu reactivitate încrucișată pot fi stimulați de tulpini noi și pot avea afinitate matură față de acestea, rezultând o afinitate paratopică îmbunătățită succesiv față de epitopi subdominanți din punct de vedere imunogenetic, conservate încrucișat.

Reactivitate încrucișată, cooperare antigenică și intensificare dependentă de anticorpi

Legătura promițată a AB provocată de un antigen cu un alt antigen poate fi protectoare, intensificatoare de infecție sau ambele, în grade diferite, în funcție de spațiul antigenic. Cazuri din prima situație caracterizează nAB în sens larg (bnAB), care, prin interacțiunea paratopică cu reziduuri conservate critice pentru intrarea virală, se leagă în mod nediscriminatoriu și neutralizează o populație de variante diverse din punct de vedere antigenic (20). În schimb, anticorpii care intensifică infecția vizează epitopi cu reacții încrucișate cu afinități diferite, uneori neutralizând variantele cu afinitate ridicată, în timp ce, prin recrutarea unor ținte de tropism viral, facilitează intrarea variantelor cu afinitate scăzută (5). În pofida mecanismelor precise, contribuțiile variabile ale specificității epitopului, ale accesibilității și ale maturității virionului în infecțiile succesive cu diferite subtipuri de dengue sugerează că secvența imunologică care urmează legării AB, bazată pe funcțiile efectoare mediate de Fc și pe afinitatea paratopului (koff/kon) față de epitopul (epitopii) vizat(i), mai degrabă decât simpla ocupare sterică a domeniilor de legare a receptorilor, mediază neutralizarea (5). Contribuțiile circumstanțiale la neutralizarea mediată de anticorpi, în rândul populațiilor virale structurate pe cvasispecii, se extind dincolo de mediatorii imunitari ai gazdei până la spațiul de secvențe intra-gazdă și la rețeaua corespunzătoare de reactivitate încrucișată. Considerate pe un spectru de afinitate, variantele cu afinitate mare pot, prin îmbogățirea cu AB cu reactivitate încrucișată, să funcționeze ca altruiste antigenice, facilitând persistența variantelor cu afinitate mai mică la care maturizarea afinității specifice cvasi-speciei a fost frustrată (7). Observațiile privind reducerea diversificării antigenice și creșterea selecției negative în timpul infecției cronice cu VHC, împreună cu persistența multianuală a variantelor intrahost și a subpopulațiilor de cvasi-specii, susțin un model de cooperare antigenică prin care structura reactivă încrucișată a spațiului secvențial în sine protejează populația intrahost de neutralizarea AB (21).

Mascarea epitopului conservat

Conservarea modelelor fizico-chimice, întinderile de entropie Shannon scăzută, selecția negativă ridicată și evoluția convergentă extinsă, sugerată de reactivitatea încrucișată largă, indică faptul că, chiar și în rândul virușilor variabili din punct de vedere antigenic, conservarea antigenică este necesară pentru a păstra fitness-ul (21, 22). Presiunile dublu-selective pentru conservarea funcțională și evaziunea imunitară păstrează un model antigenic comun între virușii variabili, marcat de epitopi imunodominanți, toleranți la mutații, care maschează domenii de neutralizare conservate, ocolite conformațional sau glicozilatologic (23-25). HCV, HIV și gripa prezintă acest model, cu bnAB, deja o minoritate a răspunsului umoral, limitat funcțional de accesibilitatea redusă a epitopilor vizați sau de fereastra limitată de neutralizare oferită de modificarea conformațională indusă de legarea receptorului (6). Cercetările în curs de desfășurare privind cartografierea determinanților antigenici ai neutralizării largi și provocarea anticorpilor complementari, fie prin vaccinologie inversă, fie prin trunchierea epitopilor variabili din imunogenii vaccinali, oferă o bază pentru proiectarea rațională a vaccinurilor (26). Cu toate acestea, provocările legate de reconstituirea maturării de afinitate prin vaccinologie inversă, imunogenitatea redusă a imunogenilor cu epitopi variabili ștearsă și ocluzia epitopilor conservați in situ sugerează că o proiectare eficientă a vaccinului pentru agenții patogeni variabili din punct de vedere antigenic ar putea avea nevoie să vizeze, mai degrabă decât să ocolească, epitopii hipervariabili.

Perspectivă

Reactivitatea încrucișată este necesară, dar nu suficientă pentru un răspuns AB protector care vizează epitopi variabili. Pentru a rezolva infecția într-un spațiu de secvențe antigenice convergente, AB cu reactivitate încrucișată trebuie, de asemenea, să lege epitopi neutralizanți cu o variație scăzută a paratopelor-afinității între izolate (figura 2).

Datorită faptului că variațiile fizico-chimice minore pot modifica interacțiunea paratop: epitop, această ultimă cerință poate explica de ce infecția persistentă a fost atribuită rețelelor de reactivitate încrucișată și caracteristicilor lor emergente, cum ar fi altruismul antigenic, un fenomen prin care cooperarea între variantele cu reactivitate încrucișată crește fitness-ul populației în detrimentul variantelor „sacrificate” vizate preferențial de răspunsurile imune ale gazdei (7). Această cerință poate explica, de asemenea, modul în care, în ciuda reactivității încrucișate extinse a răspunsurilor imune care țintesc epitopi variabili în infecția cronică cu HCV și HIV, apar mutanți de scăpare rezistenți la neutralizare: afinitatea lor redusă față de AB cu reactivitate încrucișată pune în pericol cerințele stoichiometrice pentru neutralizare (27). Din punct de vedere mecanic, acest fenomen sugerează că un criteriu pentru răspunsurile de protecție largă la agenții patogeni variabili este inducerea AB care vizează fără discriminare semnături convergente din punct de vedere fizico-chimic în cadrul epitopilor variabili de secvență.

Dovezile provenite atât din cohortele clinice, cât și din modelele preclinice susțin fezabilitatea influențării maturării afinității către semnături conservate în cadrul epitopilor variabili. În rândul pacienților infectați cronic cu VHC, durata de expunere la cvasi-specii diverse din punct de vedere antigenic este asociată cu dezvoltarea bnAB care vizează reziduuri constrânse, sugerând că expunerea repetată la domenii variabile atenuează parțial imunodominanța și deplasează maturarea afinității către epitopi mai bine conservați, mai consistent prezentați (28). S-a observat, de asemenea, că candidații la vaccinul polivalent împotriva malariei cresc amplitudinea neutralizării prin polarizarea răspunsului imunitar către reziduuri conservate (29). Modelele in silico, în concordanță cu constatările clinice, descriu acest fenomen în termeni de fitness compromisă în rândul liniilor clonale cu afinitate BCR ridicată pentru reziduurile variabile din punct de vedere fizico-chimic, mai degrabă decât pentru cele conservate (30). Mai exact, creșterea includerii alelelor într-o formulare de vaccin multivalent a lărgit intersectorialitateaantrenează neutralizarea malariei prin creșterea răspunsului umoral atât la fețele conservate, cât și la cele polimorfe ale antigenului 1 al membranei apicale a malariei (30). Aceste constatări implică faptul că selecția pentru creșterea amplorii nAB în urma vaccinării multivalente poate fi operațională în interiorul domeniilor antigenice, mai degrabă decât numai între acestea, și, prin urmare, poate fi compatibilă cu un epitop variabil unic care să înlocuiască antigenul de lungime completă ca unitate imunogenă funcțională.

Includerea nediscriminatorie a variantelor în formulările polivalente ar recapitula probabil evenimentele din cadrul infecției naturale care conduc la neutralizarea specifică tulpinii sau, mai rău, la intensificarea dependentă de anticorpi prin inducerea de anticorpi cu reactivitate încrucișată cu afinitate sub pragul de neutralizare (31). Prin urmare, criteriul de includere a mai multor subtipuri sau de maximizare a amplorii secvenței în candidații multivalenți anteriori pentru HCV poate fi greșit (32). Alternativ, selectarea variantelor pe baza diversității lor fizico-chimice, mai degrabă decât a diversității specifice secvenței sau a diversității filogenetice, poate accelera frustrarea imunitară postulată pentru a favoriza inducerea variantei AB cu reactivitate largă și afinitate scăzută.

Observații finale

Proiectarea unui vaccin începe cu o ipoteză, informată de datele clinice, modelele animale și testele in vitro, care descrie un răspuns imunitar protector. Pentru virusurile hipervariabile, ca și pentru alți agenți patogeni, aceste răspunsuri sunt multifațetate, implicând coordonarea între imunitatea înnăscută, celulară și umorală (33). În mod critic, rolul unui vaccin protector nu este acela de a stimula în mod direct fiecare constituent al unui răspuns imunitar de succes, ci de a identifica și apoi de a spori etapa de mediere care este în primul rând obstrucționată în cazul infecției naturale. Printre agenții patogeni variabili, acel mediator este evaziunea umorală bazată pe variabilitate (2). Pentru a evita această adaptare, un vaccin protector ar trebui să inducă anticorpi reactivi pe scară largă, cu o variație redusă a afinității, care să vizeze epitopi neutralizanți, accesibili din punct de vedere steric. Deși cea din urmă cerință, bazată pe ipoteza loviturilor multiple care descrie cerințe stoichiometrice reduse pentru neutralizarea epitopilor accesibili în raport cu epitopi criptici, implică epitopi variabili, accesibili ca imunogeni candidați, prima sugerează epitopi constrânși din punct de vedere evolutiv (27). Pentru a rezolva aceste cerințe concurente, un vaccin ideal ar trebui să provoace anticorpi neutralizanți care vizează în mod echivalent epitopi variabili prin recunoașterea reziduurilor conservate din punct de vedere fizico-chimic, mai degrabă decât a reziduurilor specifice tulpinii.

Declarație privind disponibilitatea datelor

Contribuțiile originale prezentate în studiu sunt incluse în articol/materialul suplimentar, întrebări suplimentare pot fi adresate autorului corespondent.

Contribuții ale autorului

Autorul confirmă că este singurul contribuitor al acestei lucrări și a aprobat-o pentru publicare.

Conflict de interese

Autorul declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

Abbreviații

HCV, virusul hepatitei C; HIV, virusul imunodeficienței umane; AB, anticorp; HVR1, regiunea hipervariabilă 1; nAB, anticorp neutralizant; HA, hemaglutinină; BCR, receptori de celule B; bnAB, nAB în sens larg; AMA1, Ag apical membrane antigen-1.