COVID-19関連追加(202189日)

抗体の7ヶ月間の動態とヒトコロナウイルスに対する既存の抗体

SARS-CoV-2抗体の7ヶ月間の動態とヒトコロナウイルスに対する既存の抗体の役割】

Ortega, N., Ribes, M., Vidal, M. et al. Seven-month kinetics of SARS-CoV-2 antibodies and role of pre-existing antibodies to human coronaviruses. Nat Commun 12, 4740 (2021). Published. Aug 6, 2021.  https://doi.org/10.1038/s41467-021-24979-9.

Abstract

SARS-CoV-2に対する抗体の長期的な動態と,それに影響を及ぼす個人の特性(風邪を引き起こすヒトコロナウイルス(HCOV)に対する既存の抗体の影響を含む)を解明することは,COVID-19に対する防御免疫を理解し,効果的なサーベイランス戦略を考案する上で不可欠である.医療従事者のコホートを7ヶ月間追跡調査した結果(N= 578),6種類のSARS-CoV-2抗原と4種類のHCOV229ENL63OC43HKU1)のヌクレオカプシド抗原に対するIgMIgAIgGレベルをLuminexで定量し,フローサイトメトリーで抗体中和能を評価した.血清有病率は,13.5%0ヶ月目),15.6%(1ヶ月目)から16.4%(6ヶ月目)へと経時的に上昇した中和能を持つものを含む抗体レベルは,ヌクレオカプシド抗原に対するIgGおよびIgMレベルが低下する以外は,経時的に安定しているピークの反応後、抗スパイク抗体レベルは,再曝露の証拠がないにもかかわらず,すべての人(IgGでは73%)で症状発現後,約150日目から上昇するHCoVに対するIgGおよびIgAは,症候性の血清反応陽性者よりも,無症候性の血清反応陽性者の方が有意に高い.したがって,既存の交差反応性HCOVs抗体は,SARS-CoV-2感染およびCOVID-19に対する防御効果を持つ可能性がある

Main

Results

Seroprevalence, seroconversions, and seroreversions:

最初のコホートから,ベースラインから6ヶ月後の4回目の受診(M6)に507人が参加した(12.3%が追跡調査不能).平均年齢は42.7歳(SD: 11.2)で,72%が女性であった.ベースライン(M0),1ヶ月後(M1),3ヶ月後(M3)の各時点での人口統計的特性は,既知の報告の通りであった4)42)Supplementary Table 1).

M0M1M3で採取したサンプルは,M6のサンプルと合わせて,より広範な抗原パネルで再検査した.IgMおよび/またはIgGおよび/またはIgAのいずれかに対する血清有病率は,M013.5%M115.6%M616.4%であった(Supplementary Table 2).新たに検出されたSARS-CoV-2感染は,M1受診に比べてM6では22人増加した(rRT-PCR9人,血清検査で13人).rRT-PCRと血清学的データを考慮すると,M0では84/578人(14.5%, 95%CI 11.8-17.7%)が血清学的またはrRT-PCRにより感染の証拠を得ており,M1では91/566人(16.1%, 95%CI 13.1-19.4%),M6では91/507人(17.9%, 95%CI 14.7-21.6%)が感染の証拠を得た.感染の累積有病率は,M116.8%95%CI 13.8-20.1%),M619.6%95%CI 16.4-23.0%)であった.血清陽性の割合とは異なり,時間経過とともに相対的に安定した数の不確定結果(undetermined results)が得られ,ベースライン,M1M6でそれぞれ48人(8.3%),52人(9.1%),37人(7.3%)であった.感染の証拠があった119人(56.3%)のうち67人がrRT-PCR陽性であった(Supplementary Table 2).

M1およびM3では,主にM0ですべての抗原に対するIgAIgMの血清反応が陽性だった人のセロコンバージョンが観察された(それぞれ30%24.5%).M3からM6までにセロコンバージョンを示した参加者はほとんどいなかった(Supplementary Table 2).全体として,血清陰性で,サンプル採取の32197日前にrRT-PCRが陽性であった参加者が9人いた.これらのHCWsのうち3人は無症候性であった.

臨床医と精神科医は,看護師やその他のコメディカルに比べて,感染オッズが50%低かった(OR 0.49, 95%CI 0.27-0.85)(Supplementary Table 3).年齢,性別,およびその他の変数は,SARS-CoV-2感染との関連性は認められなかった.今回のコホートでは,感染の69%が症候性であり,入院を必要とした参加者は1人であった.

Kinetics of SARS-CoV-2 antibodies up to 7.7 months PSO:

SARS-CoV-2抗原特異的アイソタイプ(IgMIgAIgG)レベルは,症候性参加者76人から得られた合計235サンプルについて,最大7.7ヶ月PSOpost symptons onset)で最大4回の観察を行い,時間に対してプロットした(Figure 1).動態曲線(kinetic curves)は,無症候性または症候性参加者のrRT-PCR陽性からの日数に対してプロットした場合,非常に類似していた(Supplementary Figure 1).

Figure 1: Kinetics of SARS-CoV-2 antibody levels since onset of symptoms.

Levels (median fluorescence intensity, MFI) of IgA, IgG, and IgM against each antigen (Nucleocapsid full-length protein (N), and its C-terminal domain, the Receptor Binding Domain (RBD), full S protein and its subregions S1 and S2) measured in 235 samples from 76 symptomatic participants collected in up to four time points per participant (paired samples joined by lines). The black solid line represents the fitted curve calculated using the LOESS (locally estimated scatterplot smoothing) method. Shaded areas represent 95% confidence intervals. Dashed line represents the positivity threshold. Participants were grouped based on their antibody levels at M6 compared to the previous visit, individuals were labeled for each isotype-antigen pair as “Decayers” (pink) when the ratio of antibody levels between both visits was <1 and as “Sustainers/Increasers” (light blue) when the ratio was ≥1 and gray when the classification was not applicable.

 

 

Fig. 1

IgAまたはIgMPSO最初の1ヶ月以内にピークに達し,一方IgGPSO50日目頃にピークに達したSARS-CoV-2 IgGレベルは,S抗原(SS1S2RBD)およびIgAについてはPSO230日目まではおおむね安定しており(PSO6ヶ月目でもそれぞれ71%69%が血清陽性を維持),IgM(血清陽性を維持する参加者の34%)やN関連抗原に対するIgG(血清陽性を維持する参加者の26%)によりも,明らかに緩やかな速度で低下した

抗体レベルは,PSO150日目以降に増加することが観察された(Figure 1.これをさらに詳しく調べるために,前回の受診時(M1またはM3)と比較したM6の抗体レベルに基づいて参加者をグループ分けした.ピーク時の反応の後,すでに抗体の減少が見られた参加者のみを対象とした.我々はそこで,抗原-アイソタイプの組み合わせごとに,両受診日の間の”抗体増加指数(antibody increase index)”を算出し,Chenらの方法17)に倣って,両受診日の間の抗体レベルの比率が1未満の場合は”減衰者(decayers)”,1以上の場合は”持続者(sustainers/増加者(increasers)”とした.すべての抗原-アイソタイプの組み合わせにおいて,抗体レベルの増加が認められた(Figure 1).持続者/増加者のほとんどは,Venn diagramで評価したように,複数の抗原-アイソタイプの組み合わせでブーストを認めた(Supplementary Figure 2).セロコンバージョン受診時の抗体レベルは,持続者/増加者よりも減衰者の方が高く,N IgGS2 IgGS1 IgMで統計的に有意であった(Supplementary Figure 3a).抗体増加指数,持続者/増加者,減衰者のいずれの場合も,年齢との関連は見られなかった.COVID-19が回復してから数ヶ月後のM6時点で,現在または過去に症状があったと回答した参加者では,IgGを中心に抗体増加指数が高くなる傾向が見られた(Supplementary Figure 3b).我々はまた,症状の持続期間がより短い(< 10日)参加者は,> 10日経過した参加者に比べて,抗体増加指数が高い傾向にあることを確認した(Supplementary Figure 3c).

Kinetics of neutralizing antibodies:

RBD-ACE2結合阻害として測定した血漿中和能は,発症日から80日目までは概ね上昇し,その後はPSO250日目まで安定していた(Figure 2.我々は,抗体の中和能と各受診時でのレベルとの相関を調べた.最初の受診時(M0,平均PSO日数= 20)には,RBD抗原とS抗原に対する3種類のIgアイソタイプの抗体レベルが中和能と正の相関を示したが(rs= 0.19-0.32, p< 0.05),N抗原に対する抗体レベルとRBD-ACE2中和との間には統計学的有意差は認められなかった(Figure 3A).4回目の横断的受診(M6, 平均日数PSO= 200)では,どの抗原に対するIgMレベルも中和率とは相関しなかったが,6つの抗原すべてに対するIgGおよびIgAレベルは中程度から強い相関を示し(rs 0.24-0.76, p< 0.05),S抗原ではより高い相関を示した(Figure 3B).すべての抗原-アイソタイプのペアについてPCAを行ったところ(Supplementary Figure 4),分散の75.12%を説明する最初の5つの成分(component)が,中和能をアウトカムとするモデルの予測因子として含まれていた(p< 0.05, 調整済みR2 0.575).成分1および5は中和能と有意に関連していた(Supplementary Table 4).これらの成分では,SおよびS1IgGS2IgMが中和活性の増加に寄与し,N C末端(N C-terminalIgGは中和活性にマイナスの影響を与えた(p< 0.001).S抗原に対する抗体が中和率の予測に大きく寄与していることが確認された(成分1, longer vectors).

Figure 2: Longitudinal antibody neutralizing capacity.

Antibody neutralizing capacity, as a percentage of RBD-ACE2 binding inhibition in plasma samples from 64 symptomatic participants collected in three serial visits (M0, M1, and M6) represented as days after symptom onset. Paired samples are joined by gray lines. The black solid line represents the fitted curve calculated using the LOESS (locally estimated scatterplot smoothing) method. Shaded areas represent 95% confidence intervals.

 

 

Fig. 2

 

 

Figure 3: Correlations between antibody levels and RBD-ACE2 neutralization capacity.

Spearman’s rank correlation test between levels (median fluorescence intensity, MFI) of IgA, IgG, and IgM against each antigen (Nucleocapsid full-length protein (N), and its C-terminal domain, the Receptor Binding Domain (RBD), full S protein and its subregions S1 and S2) at A baseline visit (M0) and B M6 visit; and plasma neutralization capacity (as a percentage of RBD-ACE2 binding inhibition). Two-sided spearman test was used to calculate the p-values and rs correlation coefficients are color-coded for each antigen/isotype pair. Colored lines represent the fitted curve calculated using the linear model method. Shaded areas represent 95% confidence intervals.

Fig. 3

我々は,中和能については,持続者(sustainers/増加者(increasers)および減衰者(decayers)の間に有意な差を認めなかった.また,中和能はM0およびPSO6ヶ月後の中和率と逆相関したIgM増加指数を除いて,抗体増加指数とは関連しなかった(Supplementary Figure 5).

Cross-reactivities of SARS-CoV-2 with endemic HCoV:

パンデミック前の血漿サンプルには,SARS-CoV-2抗原,特にNタンパク質に対する抗体応答が見られ,SARS-CoV-2 Nに対する抗体レベルは,HCoV N抗原に対する抗体と正の相関を示し(IgMでは程度が低い),両者の間に交差反応があることがわかった(Supplementary Figure 6).全長SARS-CoV-2 Nタンパク質と季節性HCoVsのアミノ酸ペアワイズの類似性(similarities)と同一性(identities)は,229Eに対して36%26.4%NL63に対して39.1%27%OC43に対して48.1%35.7%HKU136に対して47%35.2%であった.

それゆえ,我々は調査期間中にセロコンバージョンを獲得した33人の参加者を対象に,SARS-CoV-2感染前後のHCoV N抗原に対する抗体レベルを解析した.HCoV N抗原に対する抗体レベルは,安定したレベルを示す参加者もいたが,全般的に上昇傾向が見られた.229Eに対するIgGは,SARS-CoV-2セロコンバージョン後に有意に増加した.すべてのセロコンバージョン者がレベルにおける増加を示したわけではなく,交差反応性を超えたN HCoVのバック-ブースト(back-boost)を裏付ける結果となった(Supplementary Figure 7).

我々は、ベースラインの抗HCoV N抗体レベルが高いことがSARS-CoV-2感染に対して防御的であるかどうかを検討した.全体として,これらの違いは統計学的に有意ではなかったが,セロコンバージョン者に比べて,未セロコンバージョン参加者はα-HCoV 229p= 0.06)およびNL63p= 0.15)に対するベースラインのIgG抗体価が高い傾向にあった(Figure 4A).我々は,調査期間中にセロコンバージョンした参加者において,感染前の抗HCoV N抗体レベルが高いことが,COVID-19症状に対する防御につながるかどうかを評価した.OC43に対するIgAでのみ統計的有意性が認められたが,症候性SARS-CoV-2血清陽性参加者よりも無症候性者の方が,抗HCoV N抗体のIgAおよびIgGレベルが高いという共通の傾向が認められた(Figure 4B).また,NL63に対するIgGは,SARS-CoV-2感染後,症候性血清陽性者よりも無症候性者の方がより高い増加を示し(Figure 4C),抗HCoV抗体レベルが交差反応性を超えるバック-ブーストによって,疾患を予防する免疫(disease-protective immunity)が得られることを示唆している.この所見と同様に,SARS-CoV-2陽性後の最初の受診では,無症候性参加者は有症候性参加者よりも4種類のHCoVsに対するIgGレベルが有意に高かった(Figure 4D).一方,抗SARS-CoV-2 N抗体レベルは,症候性血清陽性者の方が高かった(p< 0.05)(Figure 4E).

Figure 4: The influence of anti-HCoV antibody levels on the antibody response to SARS-CoV-2.

A Differences in baseline levels (median fluorescence intensity, MFI) of IgG against HCoV N proteins between participants who were seronegative during the entire study (COVID-19 Ab-) and participants who seroconverted (COVID-19 Ab+) (n=468). B Differences in IgA, IgG and IgM levels prior to infection against N of the four HCoVs between symptomatic and asymptomatic participants who seroconverted during the study (n=33). C Differences in fold-increase of IgG levels against N of the four HCoVs after SARS-CoV-2 seroconversion in symptomatic vs asymptomatic COVID-19 cases (n=33). D Differences in anti-HCoV N IgG levels at seroconversion visit between symptomatic and asymptomatic SARS-CoV-2 seropositive participants (n=110). E Differences in anti-SARS-CoV-2 N IgG, IgA and IgM levels in asymptomatic versus symptomatic participants at seroconversion visit (n=110). The center line of boxes depicts the median values; the lower and upper hinges correspond to the first and third quartiles; the distance between the first and third quartiles corresponds to the interquartile range (IQR); whiskers extend from the hinge to the highest or lowest value within 1.5×IQR of the respective hinge. Two-sided Wilcoxon rank test was used to assess statistically significant differences in antibody levels between groups.

Fig. 4

最後に,ベースラインの抗HCoV抗体レベルが,SARS-CoV-2に対する抗体のde novo産生に影響を与えるかどうかを検証した.この仮説を検証するために,3つのアイソタイプのベースラインからセロコンバージョンまでの抗N SARS-CoV-2抗体レベルの増加を、ベースライン時の抗N HCoVs抗体レベルと相関させた(アイソタイプのレベルを加算).全体として,抗HCoV IgGおよびIgAのベースラインレベルとSARS-CoV-2抗体の増加との間には,統計的に有意な逆相関が認められた(rs= 0.35, p< 0.05; rs= 0.18, p < 0.05; respectively)(Supplementary Figure 8).これは,4種類のHCoV Nに対する既存の抗体が,SARS-CoV-2 Nに対する抗体のより軽いde novo産生を誘導することを示唆している.

Discussion

我々は,SARS-CoV-2およびHCoVの広範な抗原パネルに対する抗体応答を,感染後7.7ヶ月まで評価した縦断研究を報告するそして既存のHCoV抗体によるCOVID-19防御の証拠を示す.これは,特にHCWのような不可欠な集団において,無症候性および軽症/中等症症例における免疫の進化を追跡し,COVID-19の影響を受けにくい人がいる理由を理解する上で重要である.本研究の強みは,無症候性および症候性参加者を含む無作為コホート内での逐次サンプリングが可能であることである.

重要なことは,SARS-CoV-2に感染しなかった参加者では,ベースライン時にHCoVs Nタンパク質に対する抗体レベルが高い傾向があったことであり,これは感染に対するある程度の相互防御効果を示唆しているさらに,無症候性SARS-CoV-2血清陽性参加者は,症候性の参加者に比べて,セロコンバージョン前の抗HCoV N IgAおよびIgGレベルが高い傾向にあり,疾患に対する相互防御が示唆されるまた,無症候性血清陽性参加者は,感染後の抗HCoV N IgGレベルが症候性の参加者よりも高かったことから,抗HCoV抗体の疾患予防的なバック-ブースト(disease-protective back-boost)が示唆されたまた,ベースラインの抗HCoV N抗体レベルが高いと,de novoSARS-CoV-2 N抗体産生が少ないという観察結果と合わせて,我々は,過去にHCoVに曝露したことによる防御効果を提案した.他の研究では,anti-disease cross-protectionの欠如が報告されている37)38)39); また,重症COVID-19と,ベータコロナウイルスのS2に対する抗体のバック-ブースト32)OC43NおよびSに対する抗体のバック-ブースト31)とを関連付ける研究もある.しかし,これらの研究は入院患者のみを対象としており,主に無症候性参加者や軽度/中等度の症状を持つ参加者を含む我々のコホートとは対照的であった.再感染に対するHCoV防御免疫は,約12ヶ月間持続することが確認されている29).再感染や疾患に対するHCoV防御免疫の持続期間を知ることは,集団レベルでのCOVID-19の疫学・病理学におけるHCoVの役割を理解する上で重要である.

我々は,SARS-CoV-2感染の累積有病率は,6ヶ月間の追跡調査(202010月)後に19.6%95%CI 16.4-23.0%)であることを示す.2回目受診時(M1)に相当する20205月頃の累積有病率は16.8%95%CI 13.8-20.1%)であり,スペインのHCWを対象とした他の研究では10.519.9%であった43)44)45).追跡調査期間中に検出された全感染のうち約28%は,最初の受診(M0)後に新たに診断されたものであり,このことから,病院での感染はほとんどが最初のパンデミックの波の中で起こったことがわかる.我々のコホートでは再感染は報告されておらず,これは研究期間中に強固な中和抗体が誘導・維持されたことに関連していると考えられるが、173人の主要HCWを対象とした別の研究では4件の再感染が報告されている46).驚くべきことに,血清検査で感染の証拠を得た参加者のうち,rRT-PCRが陽性であったのは56%に過ぎず、感染の約半数が,主にベースラインの受診時(rRT-PCRが前回陽性であったのは49%のみ)に検出されなかったことが浮き彫りになり,そしてその後の受診時にはrRT-PCRの検出率が73%にまで上昇した.我々は,IgAおよびIgMのセロコンバージョン率は,M1M3で高く,M6で低下したことを確認した.この所見は,M1M6の受診の間にセロバージョンした人がわずか9人しかいなかったIgGと比較して,これら2つのアイソタイプの血清陽性閾値を下回って急速に減衰したことを示している.症状の軽いHCWでは抗体の減衰が大きいと指摘する報告もあるが47),我々の結果では,IgGレベルはPSO7.7ヶ月まで維持されており,他の研究2)9)14)15)16)と同様である.興味深いことに,IgAレベルは,PSOの最初の3ヶ月間にセロコンバージョンを起こさなかった人たちで維持されていた.さらに,他の研究2)13)14)15)16)17)18)19)20)で見られたように,N C末端(N C-terminal)に対するIgGは急速に陽性閾値を下回った.しかし,過去に感染した参加者の大多数は,S関連抗原の血清陽性(seropositive for S-related antigens)を維持していた.RBDおよびS IgG抗体レベルは中和活性と相関することが示されており,また,Sは現在配備されているCOVID-19ワクチンや開発中のほとんどの製品の主要な標的であることから,この所見は特に重要である.

驚くべきことに,34/46人(73.9%)の参加者において,PSO150日目以降にS関連IgGレベルが顕著に上昇していることがわかった150日の追跡調査を行った過去の研究では,この現象は強調されていないが,Figueiredo-Campos9)では観察された.Chen17)は,約100日目に抗体レベルが安定または増加している人のサブセットを評価した.我々の研究では,ほぼすべての抗体増加者が,1つを超える抗原-アイソタイプペアで抗体価のブーストを示し,Chen17)の結果と一致した.我々はまた,年齢とは関係なく,”quick healers”と呼ばれる増加指数の高い参加者では,症状の期間がより短いという一貫した傾向を観察した.Chenらの研究とは対照的に,セロコンバージョン時のSARS-CoV-2抗体レベルには統計的に有意な差が見られ,N IgGS2 IgGS1 IgMについては,持続者-増加者と比較して,減衰者はより高いレベルを示した.持続者/増加者は減衰者に比べて陽性例との接触を多く報告していなかったが,回復した参加者の抗体レベルの上昇は,再曝露後の自然なブーストに関連している可能性はある.エボラウイルスに対する免疫を記述した研究でも,同様の抗体レベルの後期の増加(late increase)が報告されており,再曝露もワクチン接種も受けておらず,感染後無症候性であった生存者における抗体産生の減衰-刺激のパターンが示されている48)著者らは,抗体の増加は,免疫に恵まれた部位でのde novo抗原刺激(the result of de novo antigenic stimulation at immune-privileged sites)の結果ではないかと主張したつまり,特定の臓器に抗原が残存することで,再感染を模倣して免疫をブーストさせるのではないかというのである.興味深いことに,Gaeblerらは,小腸におけるSARS-CoV-2抗原の持続性を観察し,感染後最初の6ヶ月間に発展する(evolove)メモリーB細胞応答,Ig体細胞変異(Ig somatic mutations)の蓄積,中和の幅と効力が増大した抗体の産生と関連づけている10)

抗体中和能とPSO日数との間には,過去の文献16)19)20)22)で指摘されているような強い相関関係が認められ,免疫応答の成熟後に抗体の親和性(antibody affinity)が高まることが示唆された抗スパイク抗原は抗体中和能の増加に寄与し,抗N C末端IgGanti-N C-terminal IgG)は中和能にマイナスの影響を与えたIgMは感染後早期に中和の役割を果たすかもしれないが,数ヶ月後には失われる可能性があり,IgMレベルの減衰と一致している.持続者/増加者と減衰者の抗体は同等の中和能を持っていたことから,PSO150日目に観察された抗体レベルの増加は,反応の質(quality of the response)とは関係ないことが示唆された.予期せぬことに,ベースラインおよび6ヶ月後の受診時に,IgM増加指数は抗体中和能と負の相関を示したこれは,中和能の低い参加者ではウイルスがより持続し,その結果,IgM応答が連続的に増加すると考えられる

この研究の主な限界は,我々のコホートには重症の参加者が少なかったことと,抗-N抗体は中和能を持たないと考えられるが,抗HCoV N抗体がSARS-CoV-2反応に与える影響のみを評価したことである.しかし,抗HCoV-N抗体を多く持つ血清には,S抗原を標的とする抗体やHCoVに特異的なB細胞やT細胞も多く含まれていると考えられ,それが防御効果との関連性の可能性を説明することができる.COVID-19の重症度における過去のHCoV感染の潜在的な役割を明らかにするとともに,HCoV感染の時間的関連性やワクチン反応への影響を明らかにするには,さらなる研究が必要である.

Conclusions

抗体レベルと中和能は,一般的に7.7ヶ月まで維持され,かなりの数の人ではPSO数ヶ月に抗体レベルが増加していることがわかった.これらの増加のメカニズムや性質,ウイルス排出や疾患進行への影響を明らかにするには,さらなる研究が必要である.重要なことに,過去にHCoVsに曝露したことがあると,SARS-CoV-2感染や症状の発生に対して防御的な効果をもたらす可能性があり,集団における疾患感受性の違いの一端を説明できるかもしれない.今後,前向きなコホートを用いた研究を進めることで,抗HCoV抗体がSARS-CoV-2感染,疾患進行,免疫応答の維持,防御の相関関係などのメカニズムを評価し,因果関係を確認することができるだろう.

References

省略.

s41467-021-24979-9.pdf
41467_2021_24979_MOESM1_ESM.pdf