Neutralizing SARS-CoV-2
オンラインで公開2020年12月15日
エリック・ポエシュラ
要約
ハイブリッドウイルスを用いた実験により、SARS-CoV-2が中和抗体から逃れる方法が明らかになってきた。
研究対象の生物 ウイルス
関連研究論文 Weisblum Y, Schmidt F, Zhang F, DaSilva J, Poston D, Lorenzi JC, Muecksch F, Rutkowska M, Hoffmann HH, Michailidis E, Gaebler C, Agudelo M, Cho A, Wang Z, Gazumyan A, Cipolla M, Luchsinger L, Hillyer CD, Caskey M, Robbiani DF, Rice CM, Nussenzweig MC, Hatziioannou T, Bieniasz PD. 2020. SARS-CoV-2スパイクタンパク質バリアントによる中和抗体からの脱出。
11月には、COVID-19の患者数が再び急増したこともあり、世界は疲れ果てていた。歓迎すべき知らせの中には、SARS-CoV-2スパイク蛋白質を標的としたmRNAベースのワクチンが、高齢者やその他の重要な集団を含めて95%もの高い有効性を有する可能性があるという報告がある（Jackson et al 2020;Sahin et al 2020;Walsh et al 2020;Widge et al 2020）。さらに、スパイクタンパク質を標的とするモノクローナル抗体-血漿B細胞をクローニングし、不死化することによって生成された単一特異性の抗体-が早期に投与されれば治療的である可能性があるという、確定的ではないが初期の示唆がある（Chen et al 2020;Rogers et al 2020）が、これは、一般的には期待はずれの結果を示している回復期血漿（すなわち、COVID-19から回復した患者からの血漿;Simonovich et al 2020）に対する歓迎すべきカウンターポイントだ。今後は、SARS-CoV-2に対するヒト中和抗体反応を理解することに多くのことがかかっている。
回復期血漿の欠点の一つは、中和抗体のレベルが非常に変動しやすく、しばしば非常に低いことだ（Muecksch et al 2020年)免疫グロブリンGおよび免疫グロブリンAの両方のレベルが高いと、より重篤な疾患と相関する（Cervia et al 2020）。レベルもまた、最初の3ヶ月間で50%以上と急速に低下する（Muecksch et al 2020;Seow et al 2020）。一方、強力な中和能力を有するモノクローナルは、回収されたCOVID-19患者から一貫して得られており、これらの抗体において観察される比較的低いレベルの体細胞性超変異-B細胞が抗体親和性を最適化するプロセス-は、適切なワクチンを用いて容易に誘発される可能性があることを示唆している(Robbiani et al 2020; Yuan et al 2020)。しかし、SARS-CoV-2が中和抗体を逃れるために進化する可能性がある確率を理解することは重要であり、それが自然なものであれ、ワクチン誘発性のものであれ、投与されたモノクローナルのものであれ、いずれのものであってもである。
今、Theodora Hatziioannou、Paul Bieniasz、および共同研究者–ロックフェラー大学のYiska WeisblumとFabian Schmidtを含む–は、eLife誌に、この文脈でタイムリーで重要なデータを報告している（Weisblum et al 2020）。研究者たちは、抗体の存在下で、SARS-CoV-2を模倣したハイブリッドウイルスでヒト細胞を感染させる実験を行った。その結果、生き残って増殖することができたウイルス粒子は、抗体から逃れる方法で変異を起こしたものだけであった。具体的には、無害な狂犬病ファミリーウイルスのエンベロープ糖タンパク質をSARS-CoV-2スパイクタンパク質で置換した（図1）。このキメラウイルスの抗体中和感度は、SARS-CoV-2の抗体中和感度に非常に近く、また、高度なバイオセキュリティを必要とせずにハイスループットの解析が可能であること、GFP蛍光モニターが可能であること、コロナウイルスとは異なり、ゲノムコピー時にミスを校正しないため、高力価で伝播するため、エスケープ変異体の迅速な選択が可能であることなど、多くの利点がある。
図1 ハイブリッドウイルスを用いたSARS-CoV-2の中和抗体からの脱出の研究
SARS-CoV-2ウイルスの表面（左）には、ACE2受容体（茶色）と結合するスパイクタンパク質（淡い青色）があり、これが膜融合を起こして細胞内に侵入する。中和抗体（赤）は、スパイク蛋白質と結合することでこの現象を止めることができるため、ウイルスはこのような抗体から逃れるために相互進化を遂げている。ウイルスがどのようにして異なる種類の抗体に対して耐性を持つように進化するのかをよりよく理解するために、Weisblumらは、実験室で研究できる2つのハイブリッドウイルスを開発した。
最初のものは、その外側の脂質エンベロープに通常のエンベロープ蛋白質ではなく、SARS-CoV-2スパイク蛋白質を運ぶハイブリッド狂犬病ファミリーウイルス（VSV、中央）であった。このハイブリッドは複製に強く、GFPトランスジーン（緑色）を持ち、回復期血漿またはモノクローナル抗体の存在下で連続的な通過および選択を受ける実験に使用することができる。
第2のハイブリッドは、スパイクタンパク質で偽型化されたHIV-1ベクターであった。このハイブリッドは、複製欠損性であり、ルシフェラーゼトランスジーン（黄色）を運び、一回の感染サイクルを完了する。VSV: 小水疱性口内炎ウイルス。
スパイクタンパク質の受容体結合ドメインを標的とする強力なモノクローナル抗体の存在下で、一部ではあるがすべてではない回復期のプラズマの存在下で、研究者たちは、特異的な抵抗性を選択するのに2〜3回のパッセージだけで済むことを発見した。これらの実験の優れた物理的感触は、Weisblum et al 2020年の図1Bをより高い倍率で見ることで得ることができる）。脱走したウイルスが配列決定されたとき、受容体結合ドメイン内の突然変異が、そしてその外側のいくつかの変異も同定された。これらの変異はいずれも、培養細胞における複製適性を顕著に損なうものではなかった。
特筆すべきは、あるモノクローナル抗体を強力にブロックする変異は、同じ個体（または他の個体）の血漿による中和に対する抵抗性をほとんど、または全く示さなかったことである。逆に、ある個体からの血漿は、その個体に由来するモノクローナル抗体に対する抵抗性を選択しなかった。最後に、異なる個体からの回復期血漿によって選択された抵抗性には重複はなく、体液性免疫応答が個体間で有意に不均一であることが示唆された。しかしながら、Weisblumらは、彼らの実験ではほとんどが免疫グロブリンGを試験したが、免疫グロブリンAは肺分泌物および呼吸器上皮の表面で優勢であり、SARS-CoV-2の場合には特に有益である可能性があることを指摘している（Wang et al 2020）。
Weisblumらは次に、重要な疑問を投げかけた：これらの変異ウイルスは、一般のヒト集団の実際のSARS-CoV-2に存在するのだろうか？これらの実験のために、彼らはHIV-1をベースにした非複製ハイブリッドウイルスを使用した（図1）。さらに、最初の実験で選択したエスケープ変異体に加えて、ACE2結合部位の中またはその近傍で確認されている多数の自然発生的な変異（http://cov-glue.cvr.gla.ac.uk/#/home）を試験するために、このシステムを使用した。これにより、追加のエスケープ変異体を同定することができた。さらに、自然に流通しているSARS-CoV-2には、非常に低い頻度ではあるが、両方の突然変異体が存在している。このように、これらの変異体は「事前に存在している」のであり、特定の体液性免疫の圧力の下で選択的に目立つようになることができるのだ。
この状況は、例外的な多様性を生み出すHIV-1からのRNAウイルスについてよく学んだ教訓を思い起こさせる。薬剤を組み合わせて使用しない限り、抗レトロウイルス療法に対する耐性がすぐに誘発されるだけでなく、ある患者のウイルスは、同時期の血漿中に存在する抗体に対して事実上常に耐性を持っている。RNAウイルスの中では唯一，ゲノムコピー中のエラーを校正する能力を持つコロナウイルスの場合は，問題はそれほど深刻ではない．それでも、SARS-CoV-2のすべての可能性のある単一アミノ酸変異体は、現在、世界中の集団に何倍も存在し、おそらく多くの感染者にも存在している可能性が高い。抗レトロウイルス療法のパラダイムに従って、SARS-CoV-2耐性を確実に防ぐためには、治療用モノクローナル抗体の組み合わせが必要になると予想される。実際、Weisblumらは、2つの抗体を組み合わせることで、試験管内試験での抵抗性の発生をブロックできることを示している。
抗体の脱走が治療薬やワクチンにとって臨床的に重要なものになるかどうかはまだ明らかになっておらず、再感染の頻度（季節性コロナウイルスでは明らかに起こる）や自然免疫やワクチンによる誘導免疫後の抗体反応の持続時間など、多くの要因に依存している。しかし、現在のところ、機能的に有意なSARS-CoV-2変異体が免疫圧迫の結果として出現したという証拠はない。
最後に、ほとんどの患者-血漿中の凝集中和活性が低い患者であっても-は、低レベルで強力な抗体を産生する能力を有していることが判明した。さらに、これまでに同定された強力なモノクローナル抗体の遺伝子は、生殖細胞の配列とはほとんど異なっている（Robbiani et al 2020;Yuan et al 2020）。したがって、適切に設計されたワクチンは、耐久性のある強力な中和抗体応答を誘導することができ、これは自然感染に続く応答よりも効果的で長続きし、はるかに安全に獲得できる可能性が高いと思われる。初期のmRNAワクチンの臨床試験データは、初期の有効性を確かに裏付けているが、免疫の持続期間が大きな課題となっている。
ウイルス学者であることの醍醐味の一つは、生物学の中で最も重要で強力な考えである自然淘汰をリアルタイムで見ることができることである。実験の結果、緊急の医学的問題に有用な洞察が得られれば、それはさらに良いことである。この点で、ワイスブルムらは期待を裏切らなかった。