COVID-19関連追加(2021516日)変異株とワクチンその7

【自然免疫を逃れたSARS-CoV-2,ワクチンや治療法についての疑問】

Andreano, E., Rappuoli, R. SARS-CoV-2 escaped natural immunity, raising questions about vaccines and therapies. Nat Med 27, 759–761 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41591-021-01347-0.

SARS-CoV-2は自然免疫応答から逃がれることができるが,ウイルスはモノクローナル抗体やワクチン媒介免疫から逃避できるのか?

COVID-19パンデミックは驚きの連続であった.原因となったコロナウイルスSARS-CoV-2は,そのRNAゲノムにわずかな変化を加えるだけで,約1年間にわたって難なく世界中に広がっていった.しかし,ワクチンや治療法が登場すると同時に,ウイルスの変異株が増え始め,免疫系がこの進化する敵に立ち向かうには何が必要なのかという重要な疑問が生じた.今回,Nature Medicine誌に掲載されたChenら,Wibmerら,Xieら,Planasらの論文は,この問題に関するいくつかの洞察を示している1)2)3)4)

SARS-CoV-2は、他のRNAウイルスが急速に進化するのとは対照的に,校正機能を持っているため,遺伝的変異性が少ない.そのため,パンデミックを抑えるために,研究者たちは中国の武漢で最初に確認されたウイルス配列に合わせたワクチンやモノクローナル抗体(mAb)の製造を急いだ.驚異的な技術の進歩,公的機関の莫大な投資,世界の科学的強力によって有効性最大95%のワクチンと命を救うmAbが開発され,これまでにないスピードで緊急時の使用が承認された.

SARS-CoV-2に対抗するために開発されたワクチンやmAbは,ウイルスに王冠のような(コロナ)シルエットを与えるスパイクタンパクを標的としている.スパイクタンパク質は,感染開始時にヒト細胞上の受容体ACE2と結合する.スパイクタンパク質には,受容体結合ドメイン(RBD: receptor-binding domain)とN末端ドメイン(NTD: N-terminal domain)という2つの異なる抗原性”スーパーサイト”があり,ほとんどの中和抗体の標的となっている.COVID-19回復患者の血清中に見られる中和活性の90%RBDに対する抗体であり,RBDに対する抗体はNTDを認識する抗体に比べて10倍から100倍も強力である5)6)

202012月初旬には,最初に承認されたワクチンとmAbがロールアウトされたが,この希望の光は,変異したウイルス変異株に関する複数の心配な報告の出現によって陰った.これらのウイルスの中には,武漢で確認されたオリジナルウイルスに急速に取って代わるものもあった.最も注目されている変異株は,B.1.1.7(英国で分離),B.1.351(南アフリカで分離),B.1.1.248(ブラジルで分離)であり,これらは”懸念される変異株(VoC)”と名付けられている.960,000件以上のSARS-CoV-2の完全長配列を収集したGISAIDデータベースによると,VoCは英国,南アフリカ,ブラジルで収集された配列のそれぞれ37.6%n= 361,273),0.83%n= 7,969),0.49%n= 4,750)を占めており,その増加は日々続いている.

B.1.1.7変異株は,スパイクタンパク質をコードする領域に,RBD上の1つの変異(N501Y)を含む8つの変異が存在することが特徴である.この変異株は,この系統に感染した人のコミュニティにおける死亡率の上昇と関連している7)B.1.351およびB.1.1.248変異株は,他の変更点に加えて,RBDをコードする領域に3つの重要な変異(K417NE484KN501Y)がある.現在,米国,日本,インドなどでは,毎日のように新しいウイルス変異が報告されており,今後も世界中で変異が発生する可能性がある.これまでに観察されたウイルスの変化を解析したところ,ほとんどの変異株は,RBDをコードする領域に同じ変異(K417NE484KN501Y)を独立して獲得しているのに対し,NTDの変化は特定の変異セットに収斂(converge)していないようである.

感染者で確認されたこれらの変異の多くは,中和mAbCOVID-19回復期血清をインキュベートされたウイルスあるいは疑似ウイルスのin vitro実験においても逃避変異として示されている; このことは、自然感染後にある程度の免疫を獲得した集団においても,これらの変異が広がり続けるために,これらが観察されることを示唆している8).似たような変異に収斂していくのは,主にimmunoglobulin G heavy-chain variable germline regions IGHV3-53およびIGHV3-669にコードされる抗体に由来する中和抗体反応からの逃避の必要性によって説明できる可能性がある.実際,回復期血清では,B.1.351およびB.1.1.248変異株に取り組む能力に限界がある.このような血清サンプルは,変異株に直面した際の中和能力が,武漢で確認されたオリジナルウイルスに対する有効性の49倍低い; さらにこれらの血清サンプルの4048%が完全に中和能力を失っている1)2)4)10).対照的に,B.1.1.7変異株は,回復期血清の中和能力に中程度の影響しか与えない2)10)

これらの変異株は,社会的に著しい影響を及ぼす.76%を超える人がすでにSARS-CoV-2の血清反応を示していたにもかかわらず,変異株による再感染,そして感染が拡大しているブラジルのマナウスは重要な例である11).また,一部の変異がワクチンやmAbに与える影響も非常に気がかりである.米国食品医薬品局(FDA)から緊急使用許可を得た4種類のmAbのうち3種類は,B.1.351およびB.1.1.248変異株に対して有効ではなく,ワクチンもB.1.1.248およびB.1.35変異株に対する有効性はかなり低いことがわかっている1)2)10).実際,スパイクタンパク質の受容体結合モチーフ(ACE2と直接相互作用するRBD領域)に結合する抗体の大半は,変異E484KおよびK417Nの影響を強く受け,受容体結合モチーフに並置された領域に結合する抗体はN501Yの影響を受ける1)2)10).また,NTDに対する抗体は,異なる逃避変異株に存在する置換,欠失,挿入の影響を受ける1)5)10).これらのデータから,RBDNTDをコードする領域の変異によって,ウイルスは感染によって誘導されるポリクローナル反応やmAb反応から逃避し,自然免疫の防御機能の一部を克服できることが確認された.しかし,幸いなことに,RBDに対するいくつかの抗体は,まだほとんどのVoCを効果的に中和することができ,これが第二世代の治療薬の開発の基礎となっている5)10)

T細胞は変異株の影響を受けにくいようだCD4+T細胞およびCD8+T細胞は,VoC間で高度に保存されていることが示されたスパイクタンパク質のエピトープを標的とする.CD4+T細胞は保存されたエピトープを標的とし,その割合はそれぞれ,変異株B.1.1.7B.1.351B.1.1.248のエピトープの95.5%75.3%89.8%を占めている.一方、CD8+T細胞はこれら3つのVoCの間で平均96.1%の同一性がある12),さらに保存されたエピトープを標的する.

変異株B.1.351に対するワクチンの有効性に著しい影響が見られている.Novavax社のワクチンNVX-CoV2373の有効性は96%から48%に低下(ref. 13); Johnson & Johnson社のワクチンJNJ-78436735の有効性は85%から57%に低下(ref. 14); OxfordAstraZeneca社のワクチンChAdOx1の有効性は62%から10%に低下した(ref. 15)mRNAワクチンで報告されているB.1.351変異株に対するワクチン誘発性中和抗体力価の712倍の低下と一致していたが,B.1.1.7変異株では中和力価への影響は見られなかった3)10).またPlanasらは,Pfizer-BioNTech社のmRNAワクチンであるBNT162b2の初回投与から23週間後に15人においてB.1.351変異株に対する中和抗体が誘発されなかったのに対し,2回目の投与から1週間後には60%3週間後には77%の人に低力価の中和抗体が発現したことを報告した4)いずれの場合も,E484K変異は,ワクチン誘発性中和抗体の力価低下の主要な要因となっているようで,この残基(residue)が自然感染やワクチン接種によって誘発される抗体反応を逃避するために重要であることを考えると,ワクチン接種後に自然感染様の抗体反応(natural infection-like antibody)が誘発されることが示唆される

幸いなことに,解析したすべてのワクチンの有効性が失われたにもかかわらず,NVX-CoV2373JNJ-78436735は,B.1.351変異株による重症疾患に対してほぼ完全に防御することができた13)16)VoCの蔓延を抑制するために,第二世代のワクチンやmAbの臨床試験がすでに行われている.現在および将来の変異が医療介入を危うくする可能性があるため,新たな変異がワクチンや抗体に与える影響を監視することは非常に重要である.

この結果は,B.1.351変異株のスパイクタンパク質を含むワクチンが広く中和抗体を誘導し,VoCの拡散を抑制することを示唆している.さらに,過去に感染したことのある人では,mRNAワクチンを1回接種すると,抗体反応が最大で1,000倍になり,VoCに対する抗体の中和力価は,mRNAワクチンを2回接種した未感染者で観察された最大力価をはるかに上回ることがわかっている17)18)このことから,第一世代のワクチンは,感染によってすでにプライムされた免疫系を高めることができれば,VoCに対する防御が可能であり,2回のワクチン接種によってプライムされた未感染者も保護できる可能性がある驚くべきことに,交差中和抗体反応(cross-neutralizing antibody responses)はほぼ完全にRBD結合抗体によるものである18)これはおそらく,RBDをコードする配列は,ACE2との相互作用を維持する必要があるため,変異の選択肢が限定されるのに対し,NTDをコードする配列は変異に対応できる柔軟性があることから説明できるだろう4)6)7)

このパンデミックの初期段階は,アクション映画の筋書き〜すなわち登場人物(ウイルス)が世界中を自由に走り回り,捕獲を逃れて、最終的に(自然免疫によって作られた)刑務所に送られるところから始まる〜のようなものだと考えることができる.しかし,この刑務所のセキュリティが十分でない場合(Figure 1),ウイルスは、ある種の変異に助けられて逃亡する可能性がある.VoCに基づくスパイクタンパク質抗原を介して獲得されたワクチン誘発性免疫は、これらの逃亡経路を確実に閉鎖するのに役立つはずである。しかし,映画はまだ終わっていない.第二世代のワクチンやmAbがウイルスを制御できることは確かだが,ウイルスが予想外の新しい逃げ道を見つけて(我々を)引き続き驚かせるかどうかは,未解決の問題である.

Figure 1: Viral variants of SARS-CoV-2 and evasion of immune defenses.

201912月,SARS-CoV-2が世界中に制限なく拡散していた.自然免疫はウイルスの封じ込めの一助となった.しかし,202012月には,新興のウイルスVoCが登場した.ウイルスのスパイクタンパク質RBDへの変化をコードする収斂(しゅうれん)変異(convergent mutations,収斂進化)(K417NE484KN501Y)やスパイクタンパク質NTDをコードする領域への多数の変異などの特徴を持つこれらの変異株は,特定の抗体反応などの自然防御の一部を回避することがありうる.SARS-CoV-2をより確実に封じ込めるために,これらの新しい変異株に対抗するワクチンやmAbの臨床開発が進められている.

Fig. 1

 

 

References

1) Chen, R. E. et al. Nat. Med. https://doi.org/10.1038/s41591-021-01294-w

 (2021).

2) Wibmer, C. K. et al. Nat. Med. https://doi.org/10.1038/s41591-021-01285-x

 (2021).

3) Xie, X. et al. Nat. Med. https://doi.org/10.1038/s41591-021-01270-4

 (2021).

4) Planas, D. et al. Nat. Med. https://doi.org/10.1038/s41591-021-01318-5

 (2021).

5) Andreano, E. et al. Cell 184, 1–15 (2021).

6) Piccoli, L. et al. Cell 183, 1024–1042.e1021 (2020).

7) Davies, N. G. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-021-03426-1

 (2021).

8) Andreano, E., et al. Preprint at bioRxiv 2020.2012.2028.424451 (2020).

9) Yuan, M. et al. Science 369, 1119–1123 (2020).

10) Wang, P. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-021-03398-2

 (2021).

11) Sridhar, D. & Gurdasani, D. Science 371, 230–231 (2021).

12) Tarke, A., et al. Preprint at bioRxiv 2021.02.27.433180 (2021).

13) Novavax. https://ir.novavax.com/node/15661/pdf

 (11 March 2021).

14) Johnson, C.Y. The Washington Post

https://www.washingtonpost.com/health/2021/01/29/covid-vaccine-johnson-and-johnson/

 (29 January 2021).

15) Madhi, S. A. et al. N. Engl. J. Med. https://doi.org/10.1056/NEJMoa2102214

 (2021).

16) Johnson & Johnson.

https://www.jnj.com/johnson-johnson-covid-19-vaccine-authorized-by-u-s-fda-for-emergency-usefirst-single-shot-vaccine-in-fight-against-global-pandemic

 (27 February 2021).

17) Krammer, F. et al. N. Engl. J. Med. https://doi.org/10.1056/NEJMc2101667

 (2021).

18) Stamatatos, L. et al. Science https://doi.org/10.1126/science.abg9175

 (2021).

 

 

 

 

 

 

 

BNT162b2ワクチンによって誘発されたSARS-CoV-2スパイク変異株に対する中和】

Liu Y, et al. BNT162b2-Elicited Neutralization against New SARS-CoV-2 Spike Variants. N Engl J Med. May 12, 2021. https://doi.org/10.1056/NEJMc2106083.

SARS-CoV-2は,急速な進化を続けており,懸念される新たな変異株が発生している.米国では,カリフォルニア州(B.1.429系統)ニューヨーク州(B.1.526系統)で最初に検出された変異株が懸念されている.英国で最初に検出された変異株(B.1.1.7系統)は世界的に広がっており,現在では特定のモノクローナル抗体に耐性を付与するE484K置換を獲得している

我々は,SARS-CoV-2分離株Wuhan-Hu-1GenBank accession number, MN908947.3)のプレフュージョン安定化フルスパイク糖タンパク質(S)を発現させたメッセンジャーRNAワクチンであるBNT162b2が,Covid-19に対して95%の有効性を示すことを報告した1).加えて我々は,B1.1.7変異株,南アフリカで初めて確認されたバリアント(B.1.351系統),ブラジルで初めて確認されたバリアント(P.1系統)のS遺伝子を持つ組換えSARS-CoV-2は,B.1.351変異株ではレベルが低下したものの,BNT162b2ワクチンによる血清中和に感受性を維持した2)

最近出現した変異株もBNT162b2による中和に感受性があるかどうかを調べるために,USA-WA1/202020201月に分離)の遺伝的背景に変異株ウイルスの完全なS遺伝子を組み込んだところ(Figure S1 in the Supplementary Appendix),3つの組換えウイルスができた: B.1.429 S遺伝子を持つもの(B.1.429-spike-S13I, W152C, L452R, D614G),B.1.526 S遺伝子を持つもの(B.1.526-spike-L5F, T95I, D253G, E484K, D614G, A701V),そしてB.1.1.7 S遺伝子にE484Kの置換を加えたもの(B.1.1.7-spike+E484K-Δ69-70, Δ145, E484K, N501Y, A570D, D614G, P681H, T716I, S982A, D1118H)である.すべての組換えウイルスは,1mlあたり107 プラーク形成単位(PFU)を超える感染性ウイルス価を保有していた.B.1.1.7-spike+E484Kウイルスは,他のウイルスよりも小さなプラークを形成した(Figure S2).すべてのウイルスは,ウイルスRNAゲノム/PFU比が類似しており(Figure S3),ウイルス株の特異的な感染力が同等であることを示唆している.

すべての組換えウイルスは,初回接種の3週間後に2回目のBNT162b230μg)を接種した2)2週間〜4週間後に15人から採取したヒト血清20サンプルを用いた50%プラーク減少中和試験によって解析した(Figure S4).すべての血清サンプルは,USA-WA1/2020および変異株ウイルスを1:80以上の力価で中和したUSA-WA1/2020, B.1.429-spike, B.1.526-spike, B.1.1.7-spike+E484Kウイルスに対する幾何平均中和価は,それぞれ520, 394, 469, 597であった(Figure 1およびTable S1このように,USA-WA1/2020の中和と比較して,B.1.1.7-spike+E484KB.1.526-spikeの中和はほぼ同等であったそして,B.1.429-spikeの中和はやや低かったが,これは正の選択圧(positive selective pressure3)を受けていると思われるL452R変異の影響を反映していると考えられるこの結果から,B.1.1.7-spikeの中和と比較して,B.1.351およびB.1.526系統にも見られるE484K変異が追加されても,中和にほとんど影響を与えないことが示唆された4)

Figure 1: Serum Neutralization of New Variant Strains of SARS-CoV-2 after Two Doses of BNT162b2 Vaccine.

https://www.nejm.org/na101/home/literatum/publisher/mms/journals/content/nejm/0/nejm.ahead-of-print/nejmc2106083/20210511/images/img_xlarge/nejmc2106083_f1.jpeg

 

Limitation: SARS-CoV-2には常に新しい変異株が出現するため,現在問題となっている株は常に変化しており切り離せない(inherent)限界がこの研究にはある.にもかかわらず,いくつかの変異は特に注目に値する.例えば,E484K変異は,いくつかの変異株において収斂的に(convergently)複数回発生している.第2の限界は,ウイルス変異株における力価と特異的な感染力が類似しているにもかかわらず,抗原性ではなくスパイク機能に影響を与えることで変異が中和を変化させる可能性があることである.第3の限界は,BNT162b2が,SARS-CoV-2スパイク特異的CD4+およびCD8+ T細胞や,抗体依存性細胞傷害(antibody-dependent cytoxicity)を媒介する非中和抗体4)5)など,複数の免疫エフェクターを誘発することであるしたがって,接種後の血清によるウイルス中和の研究は,ある変異株においてワクチンによる防御の潜在的なメカニズムに対して感受性が維持されることを示すことはできるが,他の防御メカニズムに対する感受性を除外することはできず,ワクチンによる防御または逃避の臨床的エビデンスに代わるものではない

これらのデータは,新たに出現したB.1.526B.1.429B.1.1.7+E484Kの各変異株において,ワクチンによって誘発される重要な免疫エフェクター(中和抗体)に対して感受性が維持されていることを示しており,Covid-19パンデミックを終息させるための中心的な戦略として,有効性の高い現行の公認ワクチンによる集団予防接種の重要性が確認された.

 

 

References

1) Polack FP, Thomas SJ, Kitchin N, et al. Safety and efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 vaccine. N Engl J Med 2020;383:2603-2615.

2) Liu Y, Liu J, Xia H, et al. Neutralizing activity of BNT162b2-elicited serum. N Engl J Med 2021;384:1466-1468.

3) Tchesnokova V, Kulakesara H, Larson L, et al. Acquisition of the L452R mutation in the ACE2-binding interface of spike protein triggers recent massive expansion of SARS-CoV-2 variants. March 11, 2021

(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.02.22.432189v2.) preprint.

4) Sahin U, Muik A, Vogler I, et al. BNT162b2 induces SARS-CoV-2-neutralising antibodies and T cells in humans. December 11, 2020

(https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.12.09.20245175v1.) preprint.

5) Tauzin A, Nayrac M, Benlarbi M, et al. A single BNT162b2 mRNA dose elicits antibodies with Fc-mediated effector functions and boost pre-existing humoral and T cell responses. March 18, 2021

(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.03.18.435972v1.) preprint.