academic.oup.com/jid/article/doi/10.1093/infdis/jiaa392/5868459
要旨
背景
パンデミック重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）に対する適応免疫のメカニズムは未だ不明であるが、蔓延しているコロナウイルスHKU1、229E、NL63、およびOC43に対する免疫応答は、繰り返し感染リスクを理解する上で有用な参考となる。
方法
ここでは、2016 年秋から 2018 年春にかけてニューヨーク市で実施されたプロアクティブサンプリングのデータを用いた。我々は、191人の参加者からの毎週の鼻腔スワブ採取と呼吸器症状の自己報告を組み合わせて、パンデミック性コロナウイルスによる再発感染のプロファイルを調査した。
結果
本研究では、12人が同一コロナウイルスで複数回陽性反応を示した。ベータコロナウイルス属HKU1とOC43については，登録・初感染から34週目の時点で，少なくとも1回は陽性となる確率と再発の確率に有意な差は認められなかった．また，繰り返し感染と症状の重症度との間には有意な関連は認められなかったが，症状の重症度と同一家族に属していることとの間には強い関連が認められた．
結論
この研究は、同じ風土性コロナウイルスへの再感染が 1 年未満の時間窓では非定型的ではなく、自然免疫応答の遺伝的基盤が、前回の感染後に獲得した免疫記憶よりも感染の重症度を決定する大きな要因となる可能性があることを示す証拠を提供している。
序論
新型重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）は、2019年11月中に中国湖北省でヒトに出現したようである[1]。1月上旬にヒトからヒトへの感染が確認され、その後、南極を除く全大陸に急速に広がっている。このパンデミックは2020年3月11日に世界保健機関（WHO）によりパンデミックと宣言された。2020年7月4日現在、180カ国以上に広がっており、10 922 324人の確定症例と523 011人の死亡が報告されている[2]。
SARS-CoV-2に関連する症状は、症状がないものから非常に重篤なものまで様々であり、高齢者や基礎疾患を持つ人は、重篤で致死的な疾患を発症するリスクが高くなる[3]。現在のところ、SARS-CoV-2に対するワクチンや承認された抗ウイルス治療法はなく、治療法は主に対症療法に依存している。世界中の多くの機関がSARS-CoV-2ワクチンの開発に取り組んでおり、いくつかのワクチン候補の臨床試験がすでに開始されている[4]。
パンデミックが進行し、世界中で何百万人もの人々が感染している中、重要な問題は、回復後の患者が再感染しやすいかどうかということである。SARS-CoV-2感染から回復して数週間後にポリメラーゼ連鎖反応（PCR）で再び陽性となった人の報告がある。しかし、韓国の疾病管理予防センター（Korean Centers for Disease Control and Prevention）が報告したように、韓国では、再感染の可能性のある個人の呼吸器サンプルの細胞培養において、生存可能なSARS-CoV-2は分離されなかった [5];したがって、これらの後続の陽性結果は、分子検査で検出された不活性な遺伝物質によるものかもしれない。最近の動物チャレンジ研究では、初感染から4週間後に実験的に再感染させたアカゲザルにおいて、再感染に対する（少なくとも）短期的な保護が得られるという証拠が示された[6]。
ウイルスへの再曝露後の免疫反応は、病原体および宿主と病原体の相互作用に大きく依存する。麻疹のようなウイルスの中には生涯免疫を誘発するものもあれば、インフルエンザのように生涯免疫を誘発しないものもある。さらに、再感染が起こりやすい場合、症状の重症度に差が出ることがある。同じウイルスとの再感染は、その後の小児のインフルエンザ感染で示されているように、症状が軽い場合がある[7]。しかし、再感染は、抗体依存性亢進と呼ばれる、あるウイルスに対して上昇した抗体が同じウイルスの異なる株と結合して中和できない現象を介して、より重症化することもある[8]。
ある種の病原体に対する免疫力が短期間で低下するのには、主に2つのプロセスが関係していると考えられている。(1) 宿主系における抗体や記憶細胞の衰え、(2) 以前の病原体に対する免疫から逃れるための病原体の抗原性のドリフトである。
呼吸器ウイルスとの再感染は、以前の研究でも報告されており、同じH1N1ウイルスに2回連続して感染した個体が報告されている[7, 9]。呼吸器同期ウイルスに焦点を当てた研究では、非常に類似した株、または1年未満で同じ株とのその後の再感染の証拠が示されている [10, 11]。血清学的研究では、パンデミック性のコロナウイルスによるその後の感染が証明されている [12]。ライノウイルスの連続感染も多くの研究で報告されているが、この所見は、抗原的に異なる種類のライノウイルスが多数（150種類以上）流通していることに起因している可能性がある [13]。
SARS-CoV-2に対する防御免疫の問題を文脈化するために、ここでは、ニューヨーク市で実施された最近の積極的なサンプリングプロジェクトから得られた知見を紹介し、季節性CoV（HKU1、229E、NL63、およびOC43型）を脱会した患者の感染率および再感染率を記録した。この結果は、コロナウイルス感染というより広い文脈の中で議論され、分析されている。
方法
データは、呼吸器ウイルス感染率、関連する症状の自己申告、臨床的ケアを求める率の積極的なサンプリングであるViromeプロジェクトの一環として、2016年10月から 2018年4月に実施されたサンプリングから得られたものである。ニューヨーク市マンハッタン区の複数の場所から214人の健康な個人を登録した。
コホートの構成は [14] に記載されており、2つのデイケアに通う子供とその兄弟および両親、高校のティーンエイジャーおよび教師、2つの救急科（小児科と成人病院）に勤務する成人、および大学の医療センターに勤務する成人である。
コホートはコンビニエンス・サンプリングを用い、参加者は全員65歳未満であった。研究期間は2016年10月から 2018年4月までの19カ月間であったが、風邪とインフルエンザの1シーズン（10月～4月）だけを対象に登録した人もいれば、研究期間全体を対象に登録した人もいた。参加者（または未成年者の場合はその保護者）は、研究の詳細な説明を読んだ後、インフォームドコンセントを提供した（コロンビア大学医療センター機関審査委員会AAAQ4358）。
鼻咽頭サンプルは、参加者の症状に関係なく、研究コーディネーターが週に1回採取した。サンプルは、GenMark eSensor 呼吸器ウイルスパネル（RVP）システムを用いて、コロナウイルス229E、NL63、OC43、HKU1を含む18種類の呼吸器ウイルスをスクリーニングした。サンプルの採取および抽出は、[15]に示されているのと同じプロトコルに従った。
さらに、参加者は、呼吸器疾患に関連した9つの症状（発熱、悪寒、筋肉痛、目の水様、鼻水、くしゃみ、喉の痛み、咳、胸の痛み）を毎日の自己申告で評価し、それぞれをリッカート尺度（0=なし、1=軽度、2=中等度、3=重度）で記録した;補足テキスト1、補足表1および2、および調査の詳細についてはGalanti et al [14]を参照のこと;分析のために、191人の参加者のみを対象とした。
この分析では、同じ季節に少なくとも6組の別々の鼻咽頭サンプルを提供した191人の参加者のみを対象とした。我々は、感染（またはウイルス）エピソードを、同じウイルスに陽性であった特定の個人からの連続した週1回の検体群と定義した（偽陰性および一時的な低脱落を考慮して1週間のギャップを考慮した）。
すべての感染エピソードを、エピソードの最初の陽性スワブを採取した日から数日間の個人の症状スコアに基づいて、症候性または無症候性のいずれかに分類した。症候性感染の標準的な定義が文献にないため、症候性エピソードと無症候性エピソードを区別するために複数の基準を検討した。
表1は、使用した5つの症状閾値を報告するものである。1日の症状スコアは、与えられた日の9つの症状（範囲は0～27）の合計として定義される。症状スコアの合計は、-3 日目から+7 日目の窓の間の 1 日の症状スコアを合計したものである。表1の定義に従って、どのようにして症状スコアが計算されたか（補足表1および2）の詳細および例については、補足表1を参照してほしい。
表 1. 症候性感染症の定義
定義
定義1 1日のスコアが3以上の日が1日以上ある
定義2 個別症状が2つ以上>0で、かつ1つ以上>1の症状があること
定義3 症状の総和スコア＞9
定義 4a 感染者の週平均値の2倍以上の症状スコアの合計値
定義 5 全症状スコア＞0（つまり、報告されているすべての症状
すべての症状の定義は、感染症エピソードの最初のスワブが陽性であった日を中心に、-3/+7 日間のウィンドウを参照して記述されている。
a定義4は、個人の長期的な平均的な総症状スコアを基準にしている。
我々は，標準的な生存解析法を用いて，感染の縦断的記録を用いて，(1)各固有コロナウイルス型への感染確率，(2)過去の感染記録から同型コロナウイルス型への再感染確率を推定した．具体的には，時間tにおける感染・再感染の確率I(t)を次のように推定した．
I(t)=1-S(t)=1-ti<t(1-dini)
ここで、S(t) は標準的な Kaplan-Meier 推定量であり、時間 t は、最初の解析ではコホートへの登録から数週間、2 回目の解析では前回の感染（特定のコロナウイルス型）から数週間のいずれかで測定されたものである。ここで、diは登録からちょうどi週間後（初感染後）に陽性と判定された参加者であり、niは登録からi週間後（初感染後）にまだ登録されている参加者である。分母の ni は、異なる時期に研究から離脱した参加者を右打ち切りで補正したものである。
Kaplan-Meier推定値は、log-rank検定を用いて統計的に比較した。後続感染時に発症した症状の違いを分析するためにフィッシャー厳密検定を使用し、異なる家族集団によって報告された症状スコアの違いを検定するために分散分析（ANOVA）比較を行った。最後の分析は、研究期間中に少なくとも3回のコロナウイルス感染を呈したコホート内の家族集団に限定した。
結果
登録された全参加者のうち、86人が試験期間中にコロナウイルス感染症で少なくとも1回は陽性反応を示した。OC43が48人、229Eが31人、NL63が15人、HKU1が28人であった。図 1 は、登録後 x 週間以内に各コロナウイルスに感染する確率を推定した Kaplan-Meier プロットを示したものである（各時点での感染者数および検閲者数については補足表 3 を参照）。
OC43は最も広く拡散したウイルスであり、80週後に陽性となる確率は0.47であった。対照的に、NL63は最も分離頻度の低いコロナウイルスであった;80週後に陽性となる確率は0.17であった。試験参加者のうち，12人が試験期間中に同一コロナウイルスで複数回陽性反応を示した．OC43で9名が複数回陽性，HKU1で2名が2回陽性，229Eで1名が2回陽性，NL63で1名が複数回陽性であった．
OC43に複数回感染した9名のうち、3名が3回、他の6名が2回の感染を経験していた。再感染イベント間の期間の中央値は37週間であった。再感染の最短期間は4週間（OC43）、最長期間は48週間（OC43）であった。同一コロナウイルスで複数回陽性となった12人のうち、9人は登録時の1～9歳の小児であり、3人は25～34歳の成人であった（繰り返し感染の特徴と時期については、補足表4および補足図1を参照のこと）。
図1.
4種類の季節性コロナウイルスのそれぞれについて、登録後x週間以内に陽性となる確率を示すKaplan-Meierプロット。網掛け部分は95%信頼区間である。同一のコロナウイルスで複数回陽性となった場合、このプロットでは最初の発生までの時間のみを考慮した。略語。略称：P(infection)、陽性の確率。
4種類の季節性コロナウイルスのそれぞれについて、登録後x週間以内に陽性反応を示す確率を示すKaplan-Meierプロット。網掛け部分は95%信頼区間である。同一のコロナウイルスで複数回陽性となった場合には、このプロットでは最初の発生までの時間のみを考慮した。略語。P(infection)、陽性の確率。
図2は、以前に文書化された感染後、x週間以内に同じベータコロナウイルス属（OC43およびHKU1）に再感染する確率を推定したカプランマイヤープロットを示す（各時点での感染者数および打ち切り個体数については、補足表5を参照のこと）。図2に示すデータと図1のデータを比較したところ、登録/初感染から34週後の時点で、HKU1とOC43の両方で少なくとも1回は陽性となる確率と再発の確率に有意な差は認められなかった。
図 2.
初感染が確認されてから x 週間以内に同じベータコロナウイルス属型（赤線で囲んだ OC43 と黒線で囲んだ HKU1）に再感染する確率。破線は95%信頼区間を示す。ここでは、同じコロナウイルス型で複数回陽性となった個体のみを考慮している。各発生について、前回の感染からの時間的距離を計算した。略語。P(再感染)、同じコロナウイルス型で前回の感染が記録された後に再度陽性となる確率。
最初の感染が記録されてから x 週間以内に同じベータコロナウイルス属型（赤線で示した OC43、黒線で示した HKU1）に再感染する確率。破線は95%信頼区間を示す。ここでは、同じコロナウイルス型で複数回陽性となった個体のみを考慮している。各発生について、前回の感染からの時間的距離を計算した。略語。P(再感染)、同じコロナウイルス型での前回の感染が記録された後に再度陽性となる確率。
PCR結果の偽陽性をコントロールするために、RVP検査で使用される陽性閾値の異なる選択に対する所見の感度を試験した（補足文2および補足図2-5参照）。先行感染後38週間以上経過した時点でのbetacoronavirusとの再感染の確率は、異なる閾値の間でロバストであったが、短期的な再感染シグナルはPCR増幅によるアーチファクトである可能性があった。このシフトされた閾値はまた、少なくとも一度は陽性であることを検査する確率と、初感染後43週目までの再感染の確率との間に統計的に有意な差をもたらした（P = 0.04）。
表1に示した5つの定義のいずれにおいても、1回目と2回目以降の感染エピソードの間には、症状を伴う感染を経験する可能性に有意な差は見られなかった。特に，1回目の感染時には完全に無症状であった者は，2回目以降の感染時には症状を報告していなかった．しかし、コロナウイルス感染に関連した症状の重症度と、同じファミリークラスターに属していることとの間には有意な関連があった（P < 0.0001、1-way ANOVA）。図 3 は、ファミリークラスターによってグループ化された感染症について、任意のコロナウイルス感染症に関連した総症状スコアを示している。
図3.
任意のコロナウイルス型による感染に関連した総症状スコア。スコアは、表1の定義3で示されているように、検査日周辺の-3/+7日のウィンドウの毎日の症状スコアの合計として計算される。各点は感染事象を表し、各クラスターは家族群を表す。各家族群1～9は、親1人と1～4人の子供で構成されている。各ボックスについて、赤い線は中央値を示し、青いボックスの下端と上端は25%と75%である。破線は、外れ値ではない最も極端なデータポイントまで伸びており、外れ値は赤の「+」記号で示されている。
任意のコロナウイルス型による感染に関連した総症状スコア。スコアは、表1の定義3で示されているように、検査日前後の-3/+7日のウィンドウにおける毎日の症状スコアの合計として計算される。各点は感染事象を表し、各クラスターは家族群を表す。各家族群1～9は、親1人と1～4人の子供で構成されている。各ボックスについて、赤い線は中央値を示し、青いボックスの下端と上端は25%と75%である。破線は、外れ値ではない最も極端なデータポイントまで伸びており、外れ値は赤い「+」記号で示されている。
考察
SARS-CoV-2のパンデミックが世界中で数百万人に拡大する中で、感染によって誘発される防御免疫のメカニズムを理解することは非常に重要である。SARS-CoV-2に対する適応免疫応答の直接観察が可能になるまでは、他のコロナウイルスによる防御免疫の解析が有用な知見を提供する可能性がある。
過去 40 年間のいくつかの研究で、4 種類の風土病コロナウイルス 229E、OC43、NL63、および HKU への感染が一般集団では一般的であることが示されている [12, 16]。これらのウイルスへの感染は、一般的に軽度で無症状の感染をもたらす[17]。
血清学的研究では、人口の90%以上がこれらの風土病コロナウイルスに対するベースライン抗体レベルを示しており、若い年齢で最初の血清転換が起こることが示されている[16、18]。
感染後まもなく、ベースラインの抗体価は急激に上昇する;この反応は、自然感染および実験的に誘発された感染の両方で実証されている [12, 19, 20]。抗体価は感染後約 1 週間で上昇を開始し、約 2 週間後にピークに達し [20]、4 か月から 1 年後にはベースラインレベルに戻っている [12, 20]。
挑戦的な研究 [20] では、接種後に感染症を発症する可能性が、参加者の登録時の抗体濃度と相関していることが示されている。さらに、感染後の抗体上昇、臨床症状の重症度、およびウイルス脱落との間には正の相関関係が示されており [19]、軽症の場合は感染後の抗体上昇が少ないと考えられている。
同じウイルス型での自然再感染の例は以前にも報告されており [12]、その場合、血清学的検査で OC43 と 229E の繰り返し感染が記録されている。研究参加者は 4 ヶ月ごとに検査を受けてたが、その後の感染は少なくとも 8 ヶ月以上離れてた。別のチャレンジ研究では、参加者にコロナウイルス 229E を接種し、1 年後に同じウイルスで再チャレンジした [20]。ほとんどの場合、症状の重症度の低下と脱落期間の短縮を伴うものの、再感染が発生した。
コロナウイルスに対する適応免疫応答は、主にウイルスの最も可変性の高い部分、つまり型を超えて保存されていない領域に向けられている;その結果、異なる型間での交差反応性防御は重要な因子ではないようである[21, 22]。
さらに、抗原性ドリフトが再感染に及ぼす影響は明らかにされておらず [23]、再感染が抗体価の低下ではなく、ウイルスの急速な進化に起因するものであるかどうかを理解するためには、さらなる研究が必要である。
季節性コロナウイルス感染症の軽度な病原性（免疫応答が上気道形質に局在することが多い）も、免疫の短命化の理由としてしばしば考えられている。コロナウイルス感染症とそれに対する適応免疫も動物で研究されている。
豚の不顕性感染症を引き起こす豚呼吸器コロナウイルスの研究では、実験的に感染してから約1年後に抗体価が低下した[24]。対照的に、マウスで重度の全身感染を引き起こすマウスコロナウイルスの実験研究では、ウイルス特異的抗体とT細胞の相互作用が示されており、宿主に生存すると再感染から生涯保護されることが示されている[25]。
同様に、重症急性呼吸器症候群（SARS）や中東呼吸器症候群（MERS）では、重症度の上昇と感染が誘発する全身反応により、より長い免疫プロファイルが仮定されている[21]。
特異的な抗体は、SARSおよびMERS生存者において少なくとも2年間検出可能であった [26、27]。SARS生存者を対象とした縦断的研究では、感染から5年後の特異的SARS免疫グロブリンG抗体の持続は検出されていないが、回復したSARS患者の末梢血中に特異的なメモリーT細胞が持続しており、重症化した患者ではより高いレベルで持続していることが明らかになっている[28]。これらのメモリーT細胞の存在が、SARSの再感染時に迅速な防御反応を誘導するのに十分であるかどうかは評価されていない。
我々の研究では、季節性コロナウイルスが一般集団に蔓延しており、本研究の参加者の大部分が直接感染したことが記録されていることが確認された。我々の分析方法は、感染確率が研究の異なる時期に登録された参加者間で同程度であるという仮説に基づいている。
しかし、夏季にはほとんど存在しない風土病コロナウイルスの季節性、および季節性コロナウイルスパンデミックの年をまたいだ相対的な大きさは限界がある。
米国では、2016-2017シーズンのOC43の有病率は2017-2018シーズンよりもはるかに高かったのに対し、HKU1では逆の傾向が観察された[29]。さらに、感染および再感染確率の我々の推定値は、参加者が見逃した毎週のスワブの発生、および連続した毎週の検査の合間に短期間の感染を見逃した可能性のある研究自体の設計に起因して、下限値として考慮されなければならない。
それにもかかわらず、この研究では、同じコロナウイルス型への再感染が1年よりも短い期間に起こることが確認されており、再感染と症状の重症度との間に有意な関連は見出されていない。むしろ、初感染時に無症状だった人はその後の感染で症状が現れず、同じ家族のメンバーでも症状の重症度は同様であったことから、自然免疫反応の遺伝的決定要因が影響している可能性が示唆されている。免疫応答に関連する遺伝的変異は、呼吸器感染症による症状の重症度および増悪の増加と関連している [30, 31]。
我々は、症状の自己報告がこの解析における重要な制限であり、親が扶養家族の症状を報告していたことから、バイアスが生じた可能性があることを認識している。さらに、コロナウイルスの反復感染の大部分は、免疫系が未熟であるため感染しやすいコホートである小児で発見され[32]、反復感染のエピソードの26%は他の呼吸器ウイルスとの共感染であった（補足表2を参照）。
我々の研究のもう一つの潜在的な限界は、PCR検査の感度が高いことであるが、PCR検査は非常に少量の遺伝物質を増幅することができるため、おそらくは活動的な感染症には帰属しないだろう。しかしながら、少なくとも38週間以上の間隔をおいて繰り返し感染が発生していることは、RVPの陽性閾値を変えて解析を繰り返すことで裏付けられた。
しかし、ウイルスのシークエンシングを行わない限り、特に短期間に再発した感染症では、その後の陽性は新たな感染症ではなく、同じ感染症の再発である可能性を排除できない。再発感染を確認し、抗原性ドリフトと抗体消失の影響を解明するためには、ウイルスの配列決定と血清学的検査を含む追加の解析が必要であろう。
また、コロナウイルス感染に対する個人の反応の遺伝的基盤を解析する研究も必要である。固有のコロナウイルスは重症化することはほとんどないが，OC43およびHKU1がSARS-CoV-2と同じBetacoronavirus属に属していることと合わせて，コロナウイルスが広く普及していることは，重要な研究の機会を提供していると考えられる．