Frontiers in Immunology

Introduktion

Antigenvariabilitet kännetecknas av uppkomsten av sekvensskillnader inom en art, som cirkulerar mellan värdar, inom värdar eller tidsmässigt mellan olika populationer, för vilka adaptiv immunitet som framkallas av en stam inte skyddar mot en annan stam (1). Som en egenskap som uppstår på grund av att värdens immunsvar inte kan matcha den infekterande patogenens antigena bredd eller anrika begränsade mål inom den infekterande patogenen, är sekvensdiversitet nödvändig men inte tillräcklig för antigenisk variabilitet. Sekvensvariabiliteten måste också bevaras selektivt i epitoper som är måltavlor för värdets adaptiva immunsvar och där mutationer ger relativ resistens eller känslighet för en värdspecifik antikropps- eller T-cellsrepertoar. Utmaningen med variabilitetsmedierad immunflykt exemplifieras av det framgångsrika införandet av vacciner mot monoantigena patogener (vattkoppor, mässling, påssjuka osv.), men de bestående svårigheterna med att utveckla vacciner mot variabla patogener, inklusive hepatit C-virus (HCV), humant immunbristvirus (hiv), influensa och denguefeber, som orsakar allvarliga sjukdomar som kännetecknas av levercirros, immunbrist, lunginflammation respektive hemorragisk feber (2). Även om mekanismerna för adaptiv variation skiljer sig åt mellan olika virus konvergerar de till fyra mönster (figur 1):

i. Generering av en kvasi-artspopulation inom värden som kännetecknas av ett mutantspektrum som genereras av höga replikationsfel som upprätthåller en reservoar av antigeniskt distinkta virioner med varierande känslighet för värdens immunförsvar.

ii. Rumsligt och tidsmässigt definierat antigenutrymme som leder till en ihållande generering av varianter som är resistenta mot den regionala värdpopulationens existerande immunitet.

iii. Spektrum av infektionsförstärkande korsimmunoreaktivitet mellan kvasi-arter eller subtyper.

iv. Konserverad, epitopmaskering genom variabla immunodominanta epitoper, sterisk hindring eller händelsemodulerad konformationell ocklusion.

Vidare inte ömsesidigt uteslutande eller uttömmande, men dessa mönster är typiska för de brådskande utmaningarna i utvecklingen av vacciner för vilka de traditionella tillvägagångssätten, t.ex. immunisering med levande försvagat virus, virus med underenheter eller inaktiverat virus med hela partiklar, fortfarande är otillräckliga.

Quasi-Species-Mediated Evasion

Quasi-species hänvisar till enskilda varianter i en muterad diversifierad population (6). Även om varje kvasi-art är en enda replikerande enhet resulterar heterogen avkomma och fylogenetisk konvergens av samtidiga kvasi-arter i att urvalet verkar på kvasi-artspopulationer snarare än på enskilda varianter. Fenotyperna påverkas därför av populationsstrukturen, med interagerande nätverk av samverkan och korsreaktivitet som påverkar både de enskilda varianternas och populationsensemblens lämplighet (7). Positiva och negativa selektionskrafter formar kvasi-artspopulationen, där sekvensutrymmet utvidgas av de förstnämnda, via immunmedierad diversifiering, och begränsas av de sistnämnda, eftersom ökande mutationsbelastning minskar mutationsrobustheten hos varianter som upptar distala noder i populationsnätverket. Varje krafts absoluta bidrag till den genomiska strukturen kan mätas genom förhållandet mellan synonyma och icke-synonyma mutationer vid varje kodonjusterat par, med replikativa funktioner hos icke-strukturella proteiner (HCV:s NS5b-polymeras) som bevaras genom ett starkt negativt urval (som rensar bort även läkemedelsresistenta varianter med minskad replikationsförmåga), och immunodominanta epitoper som är sårbara för adaptiva värdresponser som diversifieras genom de kombinerade effekterna av positivt urval och inneboende funktionell plasticitet (8, 9). Ett avgörande kännetecken för kvasi-artspopulationer är därför selektivt bevarad variabilitet i regioner som utsätts för adaptiva immuntryck, med en populationsdynamik som formas av den fitness som ges av mutationer i dessa rester i förhållande till det totala mutationslandskapet av samtida eller föregående varianter och deras framkallade immunsvar.

HIV-1 och HCV, med replikationsfelfrekvenser på 10-4 respektive 10-3 per nukleotid och replikation, är prototypiska patogener för att studera kvasi-artsmedierad immunförsvarsmässig undvikelse (10). För båda virusen är den initiala diversifieringen förknippad med antikroppar som riktar sig mot höljets glykoprotein, vilket ändrar fitnesslandskapet till förmån för mindre varianter i mutantreservoaren som sedan expanderar för att bli dominerande kvasi-arter (3). Detta reduktionistiska mönster med cyklisk immunflykt, expansion och eliminering av dominerande kvasi-arter har nyligen ifrågasatts, och en mer komplex dynamik med nätverk av korsreaktivitet kan bidra till populationsdynamiken (7). Antikroppsmedierad positiv selektion av escape-varianter har dock observerats i både djurmodeller och kliniska miljöer, med bevis som genomgående implicerar stamspecifik neutralisering genom AB riktad mot hiv:s (V1V2, C3V4) och HCV:s (HVR1) variabla regioner (11, 12). Nya rapporter tyder, åtminstone när det gäller HCV, på att HVR1-definierad kvasi-artsdiversitet vid akut infektion förutsäger progression till kronicitet, vilket bekräftar förhållandet mellan populationsdiversitet och fitness, samtidigt som det tyder på att antigenvariation inte bara är ett kompensatoriskt resultat av, utan också en förberedande mekanism för, värdens immuntryck (13). Tyvärr gäller den begränsade kvasi-artsspecificiteten hos neutraliserande antikroppssvar (nAB) som framkallas av naturlig infektion även för vaccinering, med hiv- och HCV-kandidater som upprepade gånger lyckats framkalla nAB-svar mot det homologa vaccinimmunogenet, men inte mot heterologa varianter (14, 15).

Spatiotemporalt definierat antigenutrymme

Till skillnad från kvasi-artsmedierat undvikande, där samtidig infektion med flera varianter underlättar adaptiv flykt inom värden, utnyttjar influensa sårbarheter på värdpopulationsnivå i immunminnet genom sekventiell, säsongsbaserad generering av flyktvarianter (4). I likhet med kvasi-arter är dock den antigena variationen mellan säsongsvarianter berikad med immunodominanta, stamspecifika neutraliserande epitoper (16). Subtyper som genereras stokastiskt via antigenförskjutning och drift konsolideras i termer av fitness genom variationer i smittsamhet, tropism och korsimmunoreaktivitet med existerande AB på populationsnivå. Utveckling av säsongsvaccin prioriterar därför att förutsäga vilken kandidat, bland tidigare beskrivna varianter, som mest effektivt kommer att framkalla immunsvar som kommer att vara korsneutraliserande mot de cirkulerande varianterna varje år (17). Den pågående utmaningen med att exakt förutsäga säsongsvarianter och den betydande risken för framväxande pandemiska varianter motiverar utvecklingen av universella vacciner (18). I likhet med hiv och HCV försvårar dock immunodominans av de mutationstoleranta regionerna, i detta fall det globulära huvudet på ytglykoproteinet hemagglutinin (HA), ansträngningarna (16). Det är uppmuntrande att man bland vuxna med tidigare infektionsinducerad HA AB har observerat ett starkt återkallande svar när de utmanas med nya stammar, särskilt sådana som delar neutraliserande epitoper (19). Detta innebär att en delvis skyddande, förberedd immunitet kan känneteckna upprepad exponering för varierande patogener, varigenom korsreaktiva B-cellsreceptorer (BCR) kan stimuleras av och affinitetsmogna till nya stammar, vilket resulterar i successivt ökad paratopaffinitet för korsbevarade, immunogent subdominanta epitoper.

Korsreaktivitet, antigeniskt samarbete och antikroppsberoende förstärkning

Promiskuös bindning av AB som framkallas av ett antigen till ett annat kan vara skyddande, infektionsförstärkande eller både och, i varierande grad, beroende på det antigeniska utrymmet. Exempel på det förstnämnda kännetecknar breda nAB (bnAB), som via paratopinteraktion med konserverade rester som är kritiska för viralt inträde, urskiljningslöst binder och neutraliserar en population av antigeniskt olika varianter (20). Infektionsförstärkande antikroppar är däremot inriktade på korsreaktiva epitoper med varierande affinitet och neutraliserar ibland varianter med hög affinitet samtidigt som de genom rekrytering av mål för viral tropism underlättar inträde för varianter med låg affinitet (5). Trots de exakta mekanismerna tyder de varierande bidragen från epitopspecificitet, tillgänglighet och virionmognad vid successiv infektion med olika dengue-subtyper på att det är den immunologiska sekvensen efter AB-bindning, baserad på Fc-medierade effektorfunktioner och paratopaffinitet (koff/kon) till målinriktad(a) epitop(er), snarare än enbart sterisk ockupation av receptorbindande domäner, som förmedlar neutraliseringen (5). Omständliga bidrag till antikroppsmedierad neutralisering bland kvasi-artstrukturerade viruspopulationer sträcker sig bortom värdens immunmediatorer till sekvensutrymmet inom värden och motsvarande nätverk av korsreaktivitet. Sett till ett affinitetsspektrum kan varianter med hög affinitet, genom anrikning med korsreaktiva AB, fungera som antigena altruister genom att underlätta persistensen av varianter med lägre affinitet för vilka kvasi-artsspecifik affinitetsmognad har misslyckats (7). Observationer av minskad antigendiversifiering och ökat negativt urval under kronisk HCV-infektion, i kombination med flerårig persistens av värdinterna varianter och kvasi-artssubpopulationer, stöder en modell för antigeniskt samarbete där den korsreaktiva strukturen i sekvensutrymmet i sig självt skyddar värdinterna populationer från AB-neutralisering (21).

Conserved Epitope Masking

Konservering av fysikalisk-kemiska mönster, sträckor med låg Shannon-entropi, högt negativt urval och omfattande konvergent evolution, vilket antyds av den breda korsreaktiviteten, tyder på att även bland antigeniskt variabla virus krävs antigenisk konservering för att bevara fitness (21, 22). Det dubbelselektiva trycket för funktionellt bevarande och immunförsvar bevarar ett gemensamt antigenmönster bland variabla virus, som kännetecknas av mutationstoleranta, immunodominanta epitoper som maskerar konserverade, konformationellt eller glykosyleringsmässigt ockluderade, neutraliserande domäner (23-25). HCV, HIV och influensa uppvisar detta mönster, där bnAB, som redan är en minoritet i det humorala svaret, är funktionellt begränsat av den låga tillgängligheten hos målinriktade epitoper eller det begränsade neutraliseringsfönster som erbjuds genom receptorbindningsinducerad konformationsförändring (6). Den pågående forskningen om kartläggning av de antigena bestämningsfaktorerna för bred neutralisering och framkallande av de kompletterande antikropparna, antingen genom omvänd vaccinering eller genom trunkering av variabla epitoper från vaccinimmunogener, utgör en grund för en rationell utformning av vacciner (26). Utmaningar med att återskapa affinitetsmognad genom omvänd vaccinologi, minskad immunogenicitet hos immunogener med borttagen variabel epitop och ocklusion av bevarade epitoper in situ tyder dock på att effektiv vaccinutformning för antigeniskt variabla patogener kan behöva rikta in sig på, snarare än att kringgå, de hypervariabla epitoperna.

Perspektiv

Korsreaktivitet är nödvändigt, men inte tillräckligt, för ett skyddande AB-svar som riktar in sig på variabla epitoper. För att lösa en infektion i ett antigeniskt konvergent sekvensutrymme måste korsreaktivt AB också binda neutraliserande epitoper med låg paratop-affinitetsvarians mellan isolaten (figur 2).

Med tanke på att mindre fysikalisk-kemiska variationer kan förändra interaktionen mellan paratop och epitop kan detta senare krav förklara varför en ihållande infektion har tillskrivits nätverk av korsreaktivitet och deras framväxande egenskaper, t.ex. antigenisk altruism, ett fenomen där samarbete mellan korsreaktiva varianter ökar populationens fitness på bekostnad av ”offervarianter” som företrädesvis är målinriktade för värdens immunsvar (7). Detta krav kan också förklara hur det, trots omfattande korsreaktivitet hos immunsvar som riktar sig mot variabla epitoper vid kronisk HCV- och hiv-infektion, uppstår neutraliseringsresistenta escape-mutanter: deras minskade affinitet till korsreaktivt AB äventyrar de stökiometriska kraven för neutralisering (27). Mekanistiskt sett tyder detta fenomen på att ett kriterium för brett skyddande svar mot variabla patogener är induktion av AB som urskiljningslöst riktar sig mot fysikalisk-kemiskt konvergerande signaturer inom sekvensvariabla epitoper.

Evidens från både kliniska kohorter och prekliniska modeller stödjer möjligheten att styra affinitetsmognad mot bevarade signaturer inom variabla epitoper. Bland patienter som är kroniskt infekterade med HCV är längden på exponeringen för antigeniskt olika kvasisorter associerad med utvecklingen av bnAB som riktar sig mot begränsade rester, vilket tyder på att upprepad exponering för variabla domäner delvis dämpar immunodominansen och förskjuter affinitetsmognaden mot bättre bevarade, mer konsekvent presenterade epitoper (28). Polyvalenta malariavaccinkandidater har också observerats öka neutraliseringsbredden genom att styra immunsvaret mot konserverade rester (29). In silico-modeller, som överensstämmer med kliniska resultat, beskriver detta fenomen i termer av försämrad fitness bland klonala linjer med hög BCR-affinitet för fysikalisk-kemiskt variabla, snarare än bevarade, rester (30). Närmare bestämt ökade alleliska inkluderingen i en multivalent vaccinformulering breddade kors-stränar malarianeutralisering genom att förstärka det humoral responsen mot både bevarade och polymorfa sidor av malarias apikala membranantigen 1 (30). Dessa resultat innebär att selektion för ökad nAB-bredd efter multivalent vaccinering kan ske inom, snarare än enbart mellan, antigena domäner och kan därför vara förenligt med en epitop med en enda variabel epitop som ersätter antigenet i sin fulla längd som den funktionella immunogena enheten.

Indiskriminerande inkludering av varianter i polyvalenta formuleringar skulle sannolikt rekapitulera händelserna vid naturlig infektion som leder till stamspecifik neutralisering, eller ännu värre, antikroppsberoende förstärkning genom induktion av korsreaktiva antikroppar med en affinitet som understiger tröskelvärdet för neutralisering (31). Kriteriet att inkludera flera subtyper eller maximera sekvensbredden i tidigare multivalenta HCV-kandidater kan därför vara missriktat (32). Alternativt kan val av varianter baserat på deras fysikalisk-kemiska, snarare än sekvensspecifik eller fylogenetisk mångfald, påskynda den immunfrustration som postuleras för att gynna induktion av brett reaktiva varianter med låg affinitet AB.

Slutanmärkningar

Rationell vaccinutformning börjar med en hypotes, informerad av kliniska data, djurmodeller och in vitro-analyser, som beskriver ett skyddande immunsvar. För hypervariabla virus, liksom för andra patogener, är dessa reaktioner mångfacetterade och inbegriper samordning mellan medfödd, cellulär och humoral immunitet (33). Ett skyddande vaccin har inte till uppgift att direkt stimulera varje beståndsdel i ett framgångsrikt immunsvar, utan att identifiera och sedan förstärka det förmedlande steg som i första hand hindras vid naturlig infektion. Bland variabla patogener är denna mediator variabilitetsbaserad humoral evasion (2). För att undvika denna anpassning måste ett skyddande vaccin framkalla brett reaktiva antikroppar med låg affinitetsvarians som är inriktade på steriskt tillgängliga, neutraliserande epitoper. Även om det senare kravet, som bygger på hypotesen om flera träffar som beskriver minskade stökiometriska krav för neutralisering av tillgängliga epitoper i förhållande till kryptiska epitoper, innebär att variabla, tillgängliga epitoper kan vara immunogena kandidater, tyder det förstnämnda kravet på evolutionärt begränsade epitoper (27). För att lösa dessa konkurrerande krav skulle ett idealiskt vaccin framkalla neutraliserande antikroppar som på motsvarande sätt riktar sig mot variabla epitoper genom att känna igen fysiokemiskt bevarade, snarare än stamspecifika, rester.

Data Availability Statement

De ursprungliga bidragen som presenteras i studien ingår i artikeln/tilläggsmaterialet, ytterligare förfrågningar kan riktas till motsvarande författare.

Författarens bidrag

Författaren bekräftar att han eller hon är den enda bidragsgivaren till detta arbete och har godkänt det för publicering.

Intressekonflikt

Författaren förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Abkortningar

HCV, hepatit C-virus; HIV, humant immunbristvirus; AB, antikropp; HVR1, hypervariabel region 1; nAB, neutraliserande antikropp; HA, hemagglutinin; BCR, B-cellsreceptorer; bnAB, brett nAB; AMA1, Ag apical membrane antigen-1.

.