Large-scale study of antibody titer decay following BNT162b2 mRNA vaccine or SARS-CoV-2 infection
www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.08.19.21262111v1
ORCIDプロフィールを見るAriel Israel, Yotam Shenhar, Ilan Green, ORCIDプロフィールを見るEugene Merzon, Avivit Golan-Cohen, ORCIDプロフィールを見るAlejandro A Schäffer, ORCIDプロフィールを見るEytan Ruppin, ORCIDプロフィールを見るShlomo Vinker, ORCID
この論文はプレプリントであり，査読の認定を受けていない[これはどういう意味ですか？この論文は、まだ評価されていない新しい医学研究を報告しているため、臨床診療の指針として使用すべきではない。
概要
背景 SARS-CoV-2のワクチン接種または感染後の免疫防御機能は時間の経過とともに低下する。
目的 BNT162b2ワクチンを2回接種した後、またはワクチン未接種者にSARS-CoV-2を感染させた後のSARS-CoV-2 IgG抗体の動態を明らかにする。
方法 2021年1月31日から 2021年7月31日の間に、i)BNT162b2ワクチンを2回接種したワクチン接種者で、COVID-19の既往歴がない人、ii)ワクチンを接種していないSARS-CoV-2の療養者、という2つの相互に排他的なグループで抗体価を測定した。
結果 調査期間中に2回のワクチン接種を受けた2,653人と回復者4,361人を対象とした。2回目のワクチン接種後のSARS-CoV-2 IgG抗体価は，ワクチン接種者（中央値1581AU/mL IQR[533.8-564.6]）の方が，回復者（中央値355.3AU/mL IQR[141.2-998.7]，p<0.001）よりも高い値を示した。ワクチンを接種した被験者では、抗体価はその後1カ月ごとに最大40%減少したが、回復者では1カ月ごとの減少率は5%未満であった。BNT162b2ワクチン接種から6カ月後には，16.1%の被験者が抗体レベルが血清陽性の閾値である<50 AU/mLを下回ったが，SARS-CoV-2感染から9カ月後には回復者の10.8%のみが<50 AU/mLの閾値を下回った。
結論 この研究では、ファイザー・バイオンテック社のmRNAワクチンを受けた人は、SARS-CoV-2ウイルスに感染した患者と比べて、抗体レベルの動態が異なることを示している。初期レベルは高いが、最初のグループでは指数関数的な減少がはるかに速い。
資金調達 本研究は，Leumit Health Services（LHS）からの内部資金提供を受けており，米国国立衛生研究所，米国国立がん研究所，がん研究センターの学内研究プログラムから一部支援を受けている。
この出版物の内容は、必ずしも米国保健社会福祉省の見解や政策を反映したものではなく、また、商品名、商業製品、組織の記載は、米国政府による推奨を意味するものではない。
Impact statement 大規模な研究で、2回のmRNAワクチンを接種した人と、病気から回復したワクチン未接種者との間に存在するSARS-CoV-2 IgG抗体の動態を表示した：初期の抗体レベルはワクチン接種者の方がはるかに高いが、減少は早い。
はじめに
重症急性呼吸器症候群新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）に対する免疫は、SARS-CoV-2の感染またはワクチン接種によって誘導され、再感染に対する防御を誘導したり、臨床的に重要な結果をもたらすリスクを低下させたりする(Khoury et al 2021)。SARS-CoV-2の再感染に対しては、回復した血清陽性者は約90%の防御効果があるが、ワクチン接種の効果は50～95%と報告されている(Kim et al 2021; Lumley, 2021)。それにもかかわらず、SARS-CoV-2に対する記憶B細胞体液性応答とスパイク特異的CD4+細胞性免疫応答の両方が、時間の経過とともに減少していくことが予測されている(Gaebler et al 2021年、Wheatley et al 2021年)。そのため、ワクチン接種者と回復者の両方において、SARS-CoV-2の免疫防御が弱まっていることが懸念されている(Wang et al 2021)。
イスラエルは 2020年12月20日に大規模なワクチン接種キャンペーンを開始した最初の国の一つであり、すぐに成人人口の高い割合に免疫をつけ、ウイルスの拡散を早期に抑制することができた(Raz et al 2021)。2021年5月26日現在、500万人以上のイスラエル人（930万人のうち）が、Pfizer-BioNTech社のワクチンを2回接種して、完全に予防接種を受けている(“COVID-19 dashboard,” n.d.)。しかし、ここ数週間、イスラエルでSARS-CoV-2感染者が再発生している。この復活がどの程度、デルタ型の高い感染力によるものなのか(Chakraborty et al 2021)、デルタ型や他の変異株に対するワクチンの防御力が元の株に比べて低いことによるものなのか(Faulkner et al 2021; Martínez-Flores et al 2021)、あるいはワクチンを接種した人のすべての株に対する抗SARS-CoV-2抗体のレベルが低下していることによるものなのか(Israel et al 2021)を理解することが重要だ。
ここでは、これらの重要な要因の1つを追跡するために、BNT162b2ワクチンの2回投与後の抗体の減少率を測定する大規模な研究の結果、またはイスラエルの未接種者のSARS-CoV-2感染について説明する。
研究方法
イスラエルで70万人以上の会員にサービスを提供している大規模な全国規模の健康維持組織（HMO）であるLeumit Health Services（LHS）の成人会員を対象に，集団ベースの研究を実施した。LHSには、被験者の人口統計、医療診断、医療行為、入院、臨床検査などに関する包括的なコンピュータデータベースがあり、継続的に更新されている。社会経済的地位（Socio-economic status：SES）は、自宅の住所に基づいて定義した。イスラエル中央統計局は，すべての都市と居住地を20段階のSESに分類している。また、民族はHMOメンバーの自宅住所に応じて定義され、3つのグループに分類された。後者の2つのグループは、大規模な疫学調査の結果、イスラエルの他の人口よりも感染率が有意に高いことが判明したため、注目されている(Muhsen et al 2021)。
LHSのメンバーは全員、同様の健康保険に加入しており、医療サービスへのアクセスも同様である。各医師の診察時には、国際疾病分類第9版（ICD-9）に基づいて診断が入力または更新される。登録された慢性診断の妥当性は、これまでに調査され、高いことが確認されている(Hamood et al 2016; Rennert and Peterburg, 2001)。
2021年1月31日から 2021年7月31日の間に、2回のワクチン注射、またはCOVID-19の感染が証明された後に、SARS-CoV-2の血清検査を受けた18歳以上の会員について、血清検査結果と関連する人口統計学的および臨床的データを抽出した。ワクチン注射を受けたことがあり、COVID-19の感染が証明されている患者は、本研究から除外された。
コホートに含まれる個人のベースラインデータは、年齢を含めて2021年5月15日時点で抽出した。すべての臨床診断は、ICD-9コードに基づいてた。各医師の診察時には、国際疾病分類第9版（ICD-9）に従って診断が入力または更新される。成人集団におけるCOVID-19感染症の重症度や血清検査数に影響を与えると予想される主な医学的状態、すなわち、糖尿病、高血圧、喘息、慢性閉塞性肺疾患、虚血性心疾患、悪性腫瘍の存在、慢性腎臓病について検査を行った。
リアルタイムRT-PCRによるSARS-CoV-2検査
鼻咽頭スワブを採取し、世界保健機関のガイドラインに従って、内部の陽性および陰性コントロールを用いて実施したリアルタイムRT-PCRにより、SARS-CoV-2を検査した。2020年3月10日まではAllplex 2019-nCoV assay（Seegene, Seoul, Korea）を使用し、それ以降はCOBAS SARS-Cov-2 6800/8800 assay（Roche Pharmaceuticals, Basel, Switzerland）を使用した。
SARS-CoV-2 IgG検査
血清サンプルは、製造元の指示に従い、Abbot Alinity™ iシステムのSARS-CoV-2 IgGラボベース血清検査で実施した。この抗体CMIA検査では、SARS-CoV-2抗原をコーティングした常磁性微粒子が、患者の血清や血漿サンプル中のSARS-CoV-2スパイクタンパク（SP）に結合するIgG抗体と結合するため、最低でも100μlの血清または血漿が必要となる。抗ヒトIgG標識体を添加した後に得られる化学発光（相対光単位）をIgG II校正物質／標準物質と比較して示すことで、SPに対するIgGの量を反映した反応の強さを示す。このテストで測定されたIgG抗体レベルが50AU/mL以下の場合は、非保護的であると考えられる。社内試験では、アボット社のAlinitI™ iシステムは、症状が始まってから14日後に検査したCOVID-19患者に対して、特異度99.6%、感度100%の信頼性の高い結果を示した（「Abbott Receives FDA Emergency Use Authorization for COVID-19 Antibody Blood Test on Alinity™ i System – May 11, 2020」、ND）。アボットの検査法は、感度96.77%、特異度99%と外部で検証されており(Bryan et al 2020; Perkmann et al 2020; Zabelin et al n.d.)、これらの数値は中間域の境界に依存しているという注意点がある。分析には、定性的な結果とシステムから報告された指標値を用いた。
研究プロトコルは，Shamir Medical Center Institutional Review Board（129-2-LEU）の承認を得た。
統計解析
本研究に参加した患者の人口統計学的特性および測定された抗体レベルを示すために、標準的な記述統計学が用いられた。グループ間の人口統計学的および臨床的特性の違いは、連続変数およびカテゴリー変数について、それぞれMann-Whitney U検定およびFisher’s exact検定を用いて分析した。カテゴリカルデータは、カウントとパーセンテージで示した。連続変数のデータは平均値と標準偏差で、非正規変数は中央値と四分位範囲で表示した。ワクチン接種者における2回目のワクチン接種からの時間、または回復者における最初のPCR陽性からの時間と、抗体レベルの対数との関連性を定量化するために、線形回帰モデルを当てはめた。対数スケールに変換する際、ゼロの値は1に置き換えた。便宜上，図や表では回帰係数を自然尺度（指数化後）で表示した。また、多変量回帰モデルを適用して、年齢区分（18～59歳、60歳以上)性別、民族、SES、共存因子、疾患の重症度（回復期患者の疾患中の症状や入院の有無）ごとに関連する効果を測定した。
ソフトウェア
すべての統計解析は、Rソフトウェアバージョン4.0.3（R Foundation）を用いて行った。
資金提供者の役割
米国国立衛生研究所（National Institute of Health）は，研究デザイン，データ収集，データ分析，データ解釈，および報告書の執筆には関与していない．AI，EM，IGは，本研究のすべてのデータにアクセスし，出版物への投稿を決定する最終責任を負った。
研究結果
研究期間中、過去にSARS-Cov2 PCR検査や血清検査で陽性になったことがないワクチン接種者2,653人と、SARS-CoV-2から回復した患者でワクチン接種を受けていない4,361人を対象に、ワクチン接種後または感染後のさまざまな時期に、SARS-CoV-2濃度を定量化するための血清検査を実施した。
表1は、ワクチン接種者とCOVID-19回復者の検査対象者の人口統計学的特徴と血清学的結果を、血清学的検査までの経過時間に応じて示したものである。療養者集団は、ワクチン接種者集団（56.45±15.87歳）よりも若く（41.99±16.09歳)社会経済的地位（SES）が低く、超正統派やアラブ系の被験者の割合が高いという特徴があった（表1）。2回目のワクチン接種後にSARS-CoV-2 IgGラボベースの血清検査が行われてからの平均期間は101±66日、回復者の最初のPCR陽性からの期間は151±82日であった。
表1．ワクチン接種者と回復者における検査対象者の人口統計学的特徴
表2aおよび2bは，ワクチン接種者と回復者のSARS-CoV-2 IgG抗体価を，2回目のワクチン接種後（ワクチン接種者）または最初のPCR陽性反応後（回復者）から30日の間隔で測定したものである。実験室での血清検査は、被接種者の場合は接種後6カ月まで、回復期の患者の場合は9カ月まで可能である。血清検査が行われた患者の年齢分布は、フォローアップ期間中にわずかに変化しているため、表にはその旨が示されている。
表2a. 2回目のワクチン接種から30日間隔でのワクチン接種者の血清検査結果
表2b. 回目のPCR陽性反応から30日後までの回復期患者の血清検査結果
SARS-CoV-2感染後の回復期患者（最初の1カ月で中央値490,IQR [109-1869]）よりも、2回目のワクチン接種後の最初の1カ月でかなり高い力価（中央値9913,IQR [3650-18,733]）が観察された。回復期患者では，COVID-19感染が記録された3カ月後に最大の平均抗体反応が見られ，その後，SARS-CoV-2 IgG抗体の平均値は，最高の平均抗体反応からその後1カ月ごとにわずかに減少した。BNT162b2ワクチンを接種した場合、回復期患者の血清で採取した抗体価と比較して、3カ月後にははるかに高い抗体価が得られた。しかし、PCR検査が一度も陽性とならなかったこれらのワクチン接種者では、SARS-CoV-2 IgG抗体の平均値は、最高の平均抗体反応から次の月になるごとに最大40%ずつ低下した。その結果、BNT162b2ワクチン接種者では、抗体レベルが血清反応性の閾値である＜50AU/mL（非防御的と考えられる）を下回る人の割合が、最初の3カ月では5.8%だったのが、6カ月後には16.1%にまで減少し（図1a)一方、回復期の患者では9カ月後に50AU/mLの閾値を下回るのは10.8%に過ぎない（図1b）という憂慮すべき現象が見られた。
線形回帰モデルを実行して、ワクチン接種者と回復者の両方で、経過時間と抗体価の間の関連性を定量化した。いずれの集団においても、経過時間と抗体価の間には強い関連性（p<0.001）が見られた。図1a.と1b.は、抗体価を経過時間に対してプロットした散布図である。ワクチン接種を受けた集団では、初期の抗体価が高い（ゼロ時点でのインターセプトは6366）が、すぐに低下し、月を追うごとに40%ずつ低下している。逆に、回復期の集団では、初期抗体価は低い（ゼロ時点での切片は357）が、抗体価の低下は非常に緩やかで、毎月4%程度であった。
年齢、性別、民族、社会的地位に加えて、2回目のワクチン接種からの時間、あるいは回復期患者の最初のPCR陽性からの時間が、抗体レベルに及ぼす影響を評価するために、ワクチン接種を受けた集団と回復期患者の集団に対して多変量回帰モデルを実施した（表3）。ワクチン接種を受けた患者では、1ヵ月ごとに平均0.623[95%CI 0.599-0.649]の減少因子が生じたが、回復期患者では0.960[95%CI 0.939-0.982]の減少因子しか生じなかったのに対し、どちらの集団でも、経過時間と抗体価には強い関連性が認められた。ワクチン接種者では、高齢（60歳以上で0.790倍[95%CI 0.644-0.969])慢性腎疾患（0.200倍[95%CI 0.143-0.281])低体重（BMI18.5未満で0.359倍[95%CI 0.144-0.893])固形悪性腫瘍（0.642倍[95%CI 0.494-0.834])COPD（0.5倍[95%CI 0.939-0.882]）に伴って抗体価が低下した。 834])COPD（因子0.643[95%CI 0.479-0.863])糖尿病患者（因子0.720[95%CI 0.579-0.894])高血圧（因子0.786[95%CI 0.639-0.966]）であり、女性（因子1.243[95%CI 1.035-1.492]）およびアラブ人とユダヤ人の超正統派で増加していた。療養者では、症状のある患者（因子1.811[95%CI 1.531-2.142])入院歴のある患者（因子3.323[95%CI 2.217-4.980])重症化の危険因子である高齢者（因子1.546[95%CI 1.536]）で抗体価が高かった。 546 [95% CI 1.269-1.884]（60歳以上の場合)肥満（BMI>35の場合、因子1.839 [95% CI 1.166-2.899])糖尿病（因子1.354 [95% CI 1.093-1.678])高血圧（因子1.254 [95% CI 1.036-1.518])慢性腎臓病（因子1.965 [95% CI 1.134-3.407]）などの重症化の危険因子を有する者であった。
表3 SARS-CoV-2 IgG抗体価の線形回帰モデル
考察
ワクチン接種後またはCOVID-19感染が確認された後にSARS-CoV-2抗体価を測定したこの大規模集団において、抗体価とワクチンまたはウイルスにさらされてからの経過時間を相関させた。Pfizer-BioNTech社のmRNAワクチンを接種した未感染者では、SARS-CoV-2ウイルスに感染したことのある患者に比べて、初期の抗体値が高く、その後の減少速度が速いことがわかった。その結果、ワクチンを接種した人の抗体レベルが防御的と考えられる閾値を下回る割合は、回復期の人ではまれであるのに対し、5カ月目までに大幅に増加していることがわかった。
SARS-CoV-2に対するワクチン接種後やCOVID-19感染後のSARS-CoV-2抗体の時間変化に関する実世界のデータは限られている。いくつかの研究では、BNT162b2 mRNA COVID-19ワクチン接種後の体液性応答について報告されており、感染後4～6カ月後のSARS-CoV-2抗体価は、感染後数カ月の初期に比べてゆっくりと低下することがわかっている（Ebinger et al 2021、Padoan et al 2021、Tré-Hardy et al 2021）。少なくとも最近の2つの研究では、感染後11ヶ月まで抗体が検出されることが報告され、これらの抗体は形質細胞ではなく記憶B細胞に由来するという証拠が示された(Tong et al 2021; Turner et al 2021a)。SARS-CoV-2の記憶B細胞の生成(De Gasparo et al 2021年、Schoof et al 2020,Xu et al 2021年)は、ほとんどの抗ウイルスワクチンが機能するメカニズムであるため、長期的な保護に必要であると考えられる(Iwasaki, 2016)。
我々の研究の強みは、ワクチンを接種した人とSARS-CoV-2から回復した患者の両方からなる比較的大きなコホートにおいて、このような情報を提供していることである。この研究は、ワクチン接種者の抗体の減少勾配が回復者よりもはるかに急であることを示している。他の研究では、ワクチン接種者における体液性反応の持続性について報告されているが、参加者の追跡調査は通常3カ月以下であった（Salvagno et al 2021年、Tré-Hardy et al 2021年、Turner et al 2021b）。本研究にはいくつかの限界がある。第一に、観察的デザインであることから、測定されない交絡因子が存在する可能性がある。特に、本研究の参加者は、調査期間中にSARS-CoV-2の血清検査を受けることを選択した個人であり、その多くは調査の一環として参加している。提示された血清検査を受けた理由、あるいは拒否した理由は個人によって様々であり、それがこの調査結果に影響を与えている可能性がある。さらに、抗体の産生や減衰に影響を与える可能性のある既知の要因を考慮して結果を調整したにもかかわらず、さらに別の要因が結果に影響を与えた可能性もある。
BNT162b2 mRNA COVID-19ワクチンは、スパイクタンパク質だけでなく、いくつかのSARS-CoV-2タンパク質に対する抗体の産生を刺激することが示されており、このワクチンが変異株に対する短期的な保護を提供することが示唆されている(Amanat et al 2021; Turner et al 2021b)。これらの結果と我々の結果を合わせると、完全にワクチンを接種した人のブレイクスルー感染が最近急増しているのは、少なくとも部分的には抗体レベルの低下によるものであり、SARS-CoV-2の変異株株だけが原因ではないことが示唆される。最近行われた単施設の前向き横断的コホート研究では、COVID-19感染後4カ月で子どもの免疫力が低下することがわかった(Breuer et al 2021)。Lyerらは、SARS-CoV-2感染後、95%以上の患者で抗S-タンパク抗体が中和能力を留保し、75日まで持続したと報告している(Iyer et al 2020)。Gudbjartssonらは、SARS-CoV-2のIgGレベルは感染後4カ月まで衰えないことを示した(Gudbjartsson et al 2020)。
ワクチン接種の直後に、BNT162b2 mRNAワクチンは、複数の有益なメカニズムによってCOVID-19を防御することが示された。これは、強固なCD4+およびCD8+ T細胞応答と、SARS-CoV-2スパイクタンパク質の受容体結合ドメイン（RBD）に対する強力な抗体応答を誘発し、RBD結合IgG濃度は、COVID-19から回復した個人のコホートの血清で見られたものよりも明らかに高い(Sahin et al 2020)。これらの効果的な体液性および細胞性の免疫反応は、ブースター投与の1週間後に観察され、1回目と2回目の投与の間には無視できるほどの免疫反応が見られた(Sahin et al 2020)。
骨髄形質細胞（BMPC）は、ワクチン接種後と感染後の両方で中期的な保護抗体の不可欠な供給源であるが(Halliley et al 2015; Nutt et al 2015)、より長期的な保護には記憶B細胞が必要である可能性が高い(Iwasaki, 2016; Turner et al 2021a)。COVID-19から回復した個人は、SARS-CoV-2の再感染のリスクが有意に低い(Hall et al 2021)。最近、中国の武漢で869人の回復期血漿提供者から得た1,782個の血漿サンプルを用いた12カ月間の縦断的研究が発表された。この研究では、COVID-19血漿ドナーにおいて、診断後12カ月間、スパイクタンパクのSARS-CoV-2受容体結合ドメイン（RBD）に対するIgG抗体の陽性率が70%を超えることが示されている(C. Li et al 2021)。我々の研究では、ワクチン接種後、抗SARS-CoV-2抗体のレベルが急速に低下することを示しており、これはBMPCが十分に作成されず、したがって抗SARS-CoV-2体液性免疫が一過性のものである可能性を示している(Ibarrondo et al 2020; Seow et al 2020)。感染後、SARS-CoV-2のタンパク質と核酸は少なくとも2カ月間は腸内に留まる可能性があり、RBD上のACE2結合部位と重なるエピトープを好む胚中心（Germinal center）での継続的な抗体進化を後押しする(Gaebler et al 2021)。
非ヒト霊長類の動物モデルとヒトの両方において、中和血清抗体がSARS-CoV-2からの強力な防御的役割を果たすことは広く認められている(D. Li et al 2021; McMahan et al 2020)。本研究で使用したアッセイは、中和抗体を特別に測定するものではないが、代理的なウイルス中和アッセイと、Roche Elecsys anti-S pan-Ig assayなどの他のアッセイとの間には高い相関性が認められた(L’Huillier et al 2021)。
驚くべきことに、BNT162b2 mRNAワクチン接種後、60歳以上の回復期の人に高いSARS-CoV-2抗体価が観察されたが、ワクチン接種を受けた集団では、より若い患者に高いSARS-CoV-2抗体価が見られた。臨床的には、BNT162b2ワクチンを2回接種した人を対象に我々の医療機関で行われた最近の研究では、2回目のワクチン接種を受けてから146日以上経過した患者のSARS-CoV-2感染率が有意に高いことが観察された。この増加はすべての年齢層で有意であり、60歳以上の患者で最も強い増加が観察された(Israel et al 2021)。本研究で観察されたSARS-CoV-2 IgG抗体の減少は、この年齢層で146日以降に見られた感染率の上昇を説明する一つの材料となり、リスクのある集団では5ヶ月目までに3回目のワクチン接種を行う必要があるかもしれない。本研究で得られた結果は、SARS-CoV-2の再感染やCOVID-19感染症に対する防御効果と、抗体を介した防御効果の持続時間との相関関係を明らかにするために、他の集団でも再現する必要がある。
データの入手方法
データは患者の電子カルテから入手したものであり、IRBの承認を得て、Leumit Health Services社内の研究者に限定して使用している。
貢献者
共著者は、掲載されているすべての著者が著者資格基準を満たしており、基準を満たしている他の著者が省略されていないことを証明している。AIが保証人となる。
競合関係
すべての著者は，ICMJEの統一された情報開示フォーム（www.icmje.org/coi_disclosure.pdf）に記入している。著者は、競合する利益がないことを宣言している。AI、YS、EM、IG、AGC、SV、EMは、Leumit Health Servicesの従業員である。すべての著者は，提出した研究に影響を与えたと思われる他の関係や活動がないことを宣言する。
データ利用可能性に関する声明
本研究は、人口統計や共存因子などの実世界の患者データに基づいているが、患者のプライバシーに配慮して公表することはできない。