COVID-19感染症における回復シナリオと免疫 再感染の可能性を予測する新しい戦略

強調オフ

SARS-CoV-2免疫自然免疫集団免疫

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Recovery scenario and immunity in COVID-19 disease: A new strategy to predict the potential of reinfection

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7832464/

2021年1月5日

Zahra Khoshkam,a Younes Aftabi,b,g,⁎ Peter Stenvinkel,c B. Paige Lawrence,d Mehran Habibi Rezaei,a Gaku Ichihara,e,f and Sasan Fereidounig,⁎

グラフィカルな抽象

キーワード コロナウイルス、COVID-19,免疫、回復、再感染、SARS-CoV-2

略語

ARDS、急性呼吸窮迫症候群;ACE2,アンジオテンシン変換酵素2;Ang II、アンジオテンシンII;ADE、抗体依存性亢進;BAL、気管支肺胞ラバージ;COVID-19,新型コロナウイルス感染症;ERS、早期回復期;FcR、Fc受容体;ISGs、インターフェロン刺激遺伝子;LRS、後期回復期。NK、ナチュラルキラー;NAb、中和抗体;N、ヌクレオカプシド;PBMCs、末梢血単核球;PSO、症状発症後;RT-PCR、リアルタイム逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応;RBD、受容体結合ドメイン;SARS-CoV-2,重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2;sACE2,可溶性ACE2

要旨

背景

最近進行中の新型コロナウイルス感染症(COVID-19)のアウトブレイクは、世界的に感染者数と死亡率が増加しており、依然として未解決の問題である。新型コロナウイルスである重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)は、アンジオテンシン変換酵素2(ACE2)受容体を標的としており、ほとんどが呼吸器疾患を引き起こす。後天性免疫や抵抗性免疫は、現在のパンデミックの傾向を緩和するために最も重要な要素の一つであるが、感染過程、免疫原性、回復、再感染については、まだ大きな知見のギャップがある。

総説の目的

「COVID-19感染例における再感染の可能性と確率」や「再感染に対するSARS-CoV-2感染誘発免疫の効率と期間」に関する疑問に答えるために、SARS-CoV-2免疫と再感染に関する現在の報告を、保護と再感染に関する知見を一般化した動物モデルを用いた比較研究に特に重点を置いて批判的に評価した。また、COVID-19の回復過程における体液性免疫の寄与や、ウイルス感染性・病原性におけるACE2の役割についても論じた。さらに、疾患および回復条件における自然免疫および細胞性免疫と炎症反応をレビューし、3つの異なるステージにおけるCOVID-19の進行と回復の免疫学的側面の全体的な概要を提示した。最後に、後天性免疫と再感染の可能性に基づいて感染例を4つの異なるグループに分類した。

レビューの主要な科学的概念

このレビュー論文では、特定されたカテゴリーごとに再感染の可能性を予測する新しい戦略を提案した。この分類は、誰がSARS-CoV-2中和抗体の血清検査を受ける必要があるのか、人口の何%がウイルスに対する免疫を持っているのか、誰がワクチン接種を受ける必要があるのかを判断するために、資源をより綿密に配分するのに役立つかもしれない。

はじめに

最近進行中の新型コロナウイルス感染症(COVID-19)のアウトブレイクの原因となっている新型コロナウイルス、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)は 2019年冬に中国で最初に出現した[1]。現在 2020年12月中旬までに、公式に確認された感染者数は全世界で7500万人を超え、168万人の患者がこの新型コロナウイルスによって命を落としている[2]。ゲノムベースの解析により、SARS-CoV-2は、以前に知られていたSARSコロナウイルスと高い類似性を示した[1], [3]。SARS-CoV-2は、SARSコロナウイルスと同様に、アンジオテンシン変換酵素2(ACE2)受容体に結合して宿主細胞に感染し、呼吸器疾患を引き起こす [4]。疾患の進行に伴う臨床症状には、典型的には発熱、乾いた咳、無呼吸、老衰、軽度から重度の肺炎、呼吸困難、および凝固障害が含まれる [5], [6], [7], [8], [9]。

COVID-19患者の体液性免疫応答に関する研究は、ワクチン設計、抗体治療、疾患管理のために重要であることが強調されてきた。本レビューでは、COVID-19病の回復過程における免疫応答の役割を明らかにし、感染者を後天性免疫と再感染の可能性に基づいて異なるグループに分類する。これらの提案は、患者やその疑いのある症例のスクリーニングや診断評価の改善のための保健政策の改善に役立つであろう。さらに重要なことは、このレビューは、集団免疫がCOVID-19の将来のアウトブレイクをどのように緩和するかを理解するのに役立つことである。先行研究に基づき、集団免疫を達成するためには、少なくとも60%の集団が一次回復またはワクチン接種によってCOVID-19に対する防御免疫を獲得する必要があるとされている[11]。したがって、免疫反応と再感染の可能性に基づいて感染者を分類することは、SARS-CoV-2中和抗体(NAb)を評価する必要がある人と、SARS-CoV-2に対して免疫を持っている集団の割合は何%か、ワクチン接種を受ける必要がある人を決定するのに役立つだろう。COVID-19免疫パスポートやワクチン接種証明書などの議論が一部の政府によって持ち出されたとき、このアプローチはより大きな役割を果たすかもしれない[12]。

マカクザルの感染報告と免疫

中国および韓国を含む複数の国で、COVID-19患者の回復後および退院後に、リアルタイム逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応(RT-PCR)に基づく陽性検査が行われたという報告がいくつかある[13]、[14]。2020年4月の時点での韓国疾病管理予防院(KDCA)の報告に基づくと、回復したCOVID-19患者の91例が、以前に隔離退院した後に陽性と再確認された。これらの初期観察以降、その数は数百例にまで増加している[13]。

二次陽性の検査結果は、回復した患者から得られたものがほとんどで、少なくとも1日以上の間隔をあけて2回連続してRT-PCR検査で陰性であったことが確認されている[14]。しかし、SARS-CoV-2の二次陽性が前回の感染の再活性化によるものなのか、再感染によるものなのか、診断検査の偽陰性報告によるものなのかについては、今後の検討が必要である。二次検査の陽性は、ウイルス粒子を完全に排除するための免疫システムの失敗や、SARS-CoV-2への再感染を防ぐための失敗と関連していると仮定すると、感染者の絶対的な回復に重大な懸念が生じる可能性がある。

アカゲザル(Macaca mulatta)サルを対象とした研究では、SARS-CoV-2への一次感染後の後天的免疫が、その後のウイルスの再感染を防ぐ可能性があることが示されている[15]。本研究では、4匹のサルをSARS-CoV-2に気管内感染させ、体重減少、体温、鼻腔、咽頭、肛門の綿棒中のウイルス負荷、およびX線で可視化された肺の病理学的特徴などの臨床症状を調べた。サルのうち1匹は感染から7日後に安楽死させ、ウイルスの分布や病理組織学的変化について様々な組織を調べた。先に感染したサルのうち2匹を同量のウイルスで再感染させ、一次感染から 28日後に回復を得た。再感染から5日後に1匹のサルを安楽死させ、組織サンプル中のウイルスの複製と分布を調べた。この結果に基づいて、Baoらは、SARS-CoV-2の一次感染はその後の暴露からサルを保護したと宣言した[15]。

この研究では、COVID-19病の再発の徴候はなく、二次感染後のウイルス複製の徴候もないことが明らかにされたが、それでも、このような声明を出すには不十分な知見である。実験動物の数が限られていること、健康な動物に対するウイルスの最小感染量を評価するための予備研究がないこと、およびウイルスの感染力のコントロール試験がないことが、本研究の主な制約となっている。さらに、感染前のサルの健康状態についての情報がなかった。また、サルはすべて若齢であったため、COVID-19パンデミックに遭遇したヒトの集団に結果を外挿することができない可能性がある。最後に、この研究では、サルの脱皮状態を評価するためにRT-PCRを使用したが、著者らは、回復した数百人の患者の不確かな二次陽性報告を、完全回復後のウイルス再感染の可能性ではなく、「患者の退院前のRT-PCR検査結果が偽陰性であった」ことに起因するとしている[15]。

異なる年齢範囲と管理された条件で、より大規模な動物群を用いた更なる研究が必要である。これに関連して、アカゲザルを対象とした最近の別の研究では、SARS-CoV-2への一次感染が再感染を防ぐ可能性があることが示唆されている[16]。この研究では、気道における高ウイルス負荷、肺における病理学的病変、ウイルス性肺炎などの特徴を有するSARS-CoV-2感染動物モデルが開発された。その結果、感染後35日目に先に感染したサル(ウイルスクリアランス後)とナイーブな対照動物にウイルスを接種した。免疫学的評価の結果、一次感染後の体液性および細胞性免疫応答の誘導が、ウイルスへの再曝露からの保護に関与していることが明らかになった。感染したサルでは、免疫はSARS-CoV-2特異的な体液性および細胞性免疫応答で提供された。受容体結合ドメイン(RBD)前置スパイクエクトドメイン、およびヌクレオカプシド(N)を含む複数のサブクラスのウイルスタンパク質に対する抗スパイクおよびNAb応答は、抗体依存性補体沈着および抗体依存性細胞および好中球貪食などの多様なエフェクター機能およびウイルス中和活性を有していた。また、マクロファージ、好中球、リンパ球などの免疫細胞が炎症の多巣領域に浸潤し、抗スパイクCD4+およびCD8+ T細胞応答を誘導することも示された[16]。この研究では、非ヒト霊長類での再曝露に対する保護免疫が明らかになったが、ウイルスクリアランスから 2回目のチャレンジまでの期間が短すぎたため、マカクでは免疫反応が依然として高度に活性化されており、NAbの力価が高かった[16]。ヒトでは回復後に免疫反応が急速に低下するため、これらの知見を外挿することは困難である[17]。

COVID-19陽性例については、無症状例、軽症例、重症例を含むコホート研究で、疾患時や回復後の体液性免疫やウイルス特異的中和抗体の発現を調べることが有益であると考えられる。また、回復例のRT-PCR検査の結果が陽性の場合には、臨床症状、血清学的検査、複数の時点での確認検査(ウイルス単離や代替定量RT-PCR検査)など、他の感染・疾患の指標も考慮する必要がある。

COVID-19の回復における体液性免疫

体液性免疫の主な防御特性の一つは、病原体に対する中和抗体の産生であり、これは感染した体の防御および回復プロセスを促進する。中和抗体は、標的細胞へのウイルスの侵入を効率的にブロックし、食細胞やナチュラルキラー細胞などの他の免疫構成要素の関与を介して、ウイルスに感染した細胞や抗原を表示する細胞のクリアランスにつながる可能性がある[18]。予備的研究では、症状発症後3週目(PSO)以内にIgM抗体およびIgG抗体が産生されることが明らかになった。この研究では、体液性免疫応答は感染後3~7週間以内に発現し、IgGの段階的な増加とIgMの減少を伴うことが明らかになった。しかし、一部のSARS-CoV-2感染患者では、ウイルスの複製が長期化しているため、血清IgMは1ヶ月以上のPSOで検出可能なままであった[19]。

Wölfelらは、入院したCOVID-19患者9人のウイルス学的および血清学的評価を行った。コロナウイルス感染例では中和抗体価の頻度が低いため、特に感度の高いプラーク減少中和アッセイを使用した [20]。血清転換は発症から 2週間以内に始まったが、ウイルス負荷の急激な低下には続かなかった。中和抗体はすべての患者で検出可能であったが、力価の変動が大きく、臨床経過との密接な相関は認められなかった[20]。COVID-19陽性例208例のコホート研究では、初期の抗体反応は抗N IgMおよびIgAで検出され、検出時間の中央値は5日PSOであった[21]。COVID-19陽性患者の77.9%の血清では、抗N IgGが14日PSOで検出された[21]。また、JinらはCOVID-19患者ではIgGの陽性率と力価変動がIgMよりも高いことを示している[22]。

WuらはCOVID-19回収患者におけるSARS-CoV-2に対する中和抗体反応を解析した[23]。上海市公衆衛生臨床センターから退院した軽度の肺炎を有する入院患者175人の血液サンプルを分析した。NAbs の力価は、10~15 日間の PSO 内で高い変動を伴って測定された。スパイクタンパク質 S1,S2,RBD を標的とする SARS-CoV-2 特異的 NAbs は、感度の高い疑似型レンチウイルスベクターベースの中和アッセイおよび ELISA 検査を用いて測定した。異なる時点で選択された 6 例の患者における抗体発現の動態をモニターしたところ、NAbs の力価は 10 日目までは非常に低く(ID50 < 200)その後急激に増加し、プラトーに達した。回復した患者のうち、10例では検出可能な抗スパイク抗体の力価が認められず(ID50<40)30%の患者ではNAbsの力価が低かった(ID50<500)。また、NAbの力価は中低値(ID50:500~999)が17%、中高値(ID50:1000~2500)が39%であり、同じような罹病期間にもかかわらず高値(ID50>2500)を示したのは14%のみであった。退院後2週間後のNAb力価の評価では、退院時との有意差は認められず、また、検出可能なNAb値を持たない患者では、その後もNAbは発生していなかった[23]。さらに、高齢者や中年患者では、若い患者に比べて血漿中和抗体価とスパイク結合抗体が有意に高く、年齢に依存した高量の抗スパイク活性は、COVID-19疾患の進行度や重症度の指標と考えられる血漿中C反応性蛋白(CRP)値やリンパ球減少症と正の相関を示した[23]。疾患の重症度と死亡率の高さは、若年者よりも高齢のCOVID-19患者に多く関連していることから、この報告は議論の余地があると考えられる[23]。他の研究では、抗ウイルス血清学的アッセイと特異的抗体のプロファイルが診断の助けとなり、疾患の経過を反映することも明らかにされている[21], [22]。

血清転換、特に抗スパイクIgG抗体の産生は、コロナウイルスを中和し、ACE2受容体への結合を防ぐ可能性があるが、ウイルス-抗体複合体の形成はまた、病理学的なFc受容体(FcR)媒介の抗体依存性増強(ADE)応答をもたらす可能性がある[24], [25]。SおよびNタンパク質に対する抗体はまた、NK細胞などのウイルス感染した主要構造細胞の表面上に発現したペプチドおよびFcγ受容体と結合することにより、抗ウイルスエフェクター細胞の活性化を導き、抗体依存性細胞毒性およびウイルス粒子のオソノファゴサイトーシスを誘導する可能性がある[26]。SARS-CoVの異なるエピトープを標的とする中和IgG抗体の開発は、ウイルス感染動物および免疫動物における免疫応答または病理学的応答を媒介する [27], [28]。驚くべきことに、抗N IgGは抗S IgG抗体よりも重度の肺損傷と相関しているが、これはおそらくプロ炎症性サイトカインの分泌が増加し、好中球や好酸球の浸潤率が増加することによるものと考えられる[27]。より高い親和性、中和能力、および中和抗体の最適量は、ウイルスの中和および保護を促進する可能性がある[29]。これらの知見と一致するように、ADE応答は、重症化し、より高い死亡率を有する高齢者および中年患者における有意に高い抗S抗体および抗N抗体の合理的な正当化を提供し得る[23]、[30]。

したがって、SARS-CoV-2に対する中和抗体の存在と量が大きく変動するだけでなく、その質や機能的転帰も回復した患者間で異なる可能性がある。したがって、体液性免疫および血漿中和活性が低いCOVID-19患者のNAbsの量は、回復過程の中で完全な免疫化を行うには十分ではない。従って、体液性免疫はすべてのCOVID-19症例の回復には十分ではないので、回復の他の保護免疫学的因子の寄与を考慮すべきである。しかし、どのような因子が回復を助けるのかは、正確には完全には解明されていない。したがって、一次感染時に誘発される免疫保護因子の全範囲を理解するためには、さらなる調査が必要である。COVID-19陽性例における循環抗体の検査を拡大することで、RT-PCR検査で陽性となった者のうち、どの程度の割合で抗体を発現しているか、また、抗体と免疫との関連をより明確にするための重要な情報が得られるであろう。この点では、SARS-CoV-2再感染に対する免疫を媒介する発現中和抗体の質と免疫化閾値の決定についても理解する必要がある。

SARS-CoV-2の感染性と回復におけるACE2の役割

COVID-19患者の症状や重症度は変化に富み、ほとんどが呼吸器疾患として現れる。しかし、臨床症状や検出可能な徴候のない人の中には、症状前段階の人も含めて、ウイルスを流して感染することがある[5]、[31]、[32]、[33]。COVID-19患者の中には、ACE2が口腔粘膜の上皮細胞に高度に発現していることから、口腔および咽頭の局所的な限定感染を発症する患者がいるかどうかは、まだ明らかにされていない[34]。しかし、COVID-19患者では、重症急性呼吸器症候群(SARS)や中東呼吸器症候群(MERS)などの他のコロナウイルス感染症と同様に、肺が最も敏感で脆弱な臓器である[4], [35]。重症呼吸器疾患、集中呼吸困難、致死性を伴うSARS-CoV-2の病原性は、ウイルススパイク蛋白質を介して肺胞上皮細胞に広く分布するACE2受容体を標的としているためである[4], [36]。

膜に固定されたACE2受容体にウイルスが結合することで、細胞内へのウイルスの侵入が誘発され、その後、ウイルスの伝播プロセスが開始される。ACE2はレニン-アンジオテンシン系の触媒的に活性な保護酵素であり、健康な状態ではアンジオテンシン-IIペプチドを分解する[36](図1)。この受容体はほとんどが細胞膜に結合しており、健康な人では可溶性の形でほとんど存在しない[37]。特筆すべきは、ウイルススパイクタンパク質がACE2受容体に結合した際のADAM17媒介によるsACE2の脱落、およびACE2脱落時のTNF-α変換酵素(TACE)の活性によるIL-1βやTNF-αなどの炎症性サイトカインの放出についても、いくつかの研究[38], [39], [40], [41]で報告されている(図1)。SARS-CoVが膜に固定されたACE2により効率的に付着することは、ACE2の脱落をより高いレベルで誘導することと関連している[42]。したがって、SARSコロナウイルスと同様に、SARS-CoV-2のACE2受容体に対する高い親和性は、感染した臓器でのACE2の脱落の増加と活性の低下にもつながる可能性がある[42]。ACE2受容体のエクトドメイン部分の分離はコロナウイルス結合の副産物であり、ウイルスの侵入や拡散には必要ではない。しかしながら、ACE2の脱落は、感染中のACE2のダウンレギュレーションおよび発現の減少と関連している[42]。コロナウイルスが付着すると、ACE2受容体が脱落し、その後のダウンレギュレーションにより、アンジオテンシンIIが蓄積し(図1)肺障害につながる炎症性シグナル伝達経路が発達する可能性があることを考慮に入れる必要がある[36], [42], [43]。

図1 SARS-CoV-2による標的細胞感染とACE2の寄与

SARS-CoV-2は標的細胞に存在するACE2受容体を利用して侵入・感染する。ACE2は、通常の状態ではアンジオテンシンIIペプチドを分解する触媒活性のある保護酵素である。ウイルスが細胞に付着した後、細胞内に侵入し、そのゲノムが複製とウイルスタンパク質の生産を開始し、ACE2はその触媒活性を失う。ウイルスが膜に固定されたACE2受容体に結合すると、ADAM-17酵素がACE2の触媒的脱落とsACE2の放出を媒介する。この触媒的脱落の間に、TNF-α変換酵素の活性によるIL-1βおよびTNF-αなどのいくつかの炎症性サイトカインの放出も起こり得る。sACE2は、ウイルススパイク蛋白質に結合する能力を維持しているので、その存在は、SARS-CoV-2をインターセプトし、細胞表面のACE2受容体との相互作用を防止する可能性がある。さらに、細胞内のウイルス複製およびACE2基質(Ang II)の蓄積は、細胞シグナル伝達カスケードを活性化し、これは、INF-α/βおよびプロ炎症性サイトカインの産生による自然免疫受容体の活性化につながる可能性がある。その後、ウイルスの伝播および感染細胞の脱落のプロセスは、細胞の損傷およびアポトーシスをもたらす可能性がある。


ACE2欠損および高レベルの循環可溶性ACE2(sACE2)の存在は、高血圧、慢性腎臓病、心不全などのレニン-アンジオテンシン系の活性の増加を特徴とするさまざまな疾患状態と関連している[37]、[44]、[45]。これらの状態は、COVID-19疾患の有害転帰および重症度を促進する素因因子と考えられてきた[46]。sACE2はウイルススパイク蛋白質と結合する能力を維持しているので、ヒト気道上皮からのsACE2の放出は、コロナウイルスが細胞表面のACE2受容体との相互作用を制限し、したがってウイルスの体内への拡散を防ぐ可能性があることが、いくつかの研究者によって提案されている[40], [47]。ウイルススパイクタンパク質のインターセプターとしてのsACE2の競合的役割(図1)および肺損傷およびSARS感染に対する組換えACE2の保護効果が提案されていることを考慮すると、sACE2はCOVID-19感染の進行を制限するための新規な治療薬として提案されている[43], [48], [49]。驚くべきことに、SARS-CoV-2感染時の血漿中へのsACE2の脱落と関連したウイルス中和活性、およびいくつかの疾患状態におけるsACE2のレベルの上昇[37], [44], [45]は、注意深く研究されるべきである。特に、血清中のsACE2の存在は、回復過程に影響を与え、増強し、血清ベースのウイルス中和アッセイに介入する可能性があるため、考慮する必要がある。

COVID-19における細胞免疫の障害と炎症反応の寄与

追跡可能な中和抗体が存在しないにもかかわらず、一部のCOVID-19患者の症状が改善していることは、細胞介在性免疫やサイトカインの放出など、他の可能性のある免疫応答の寄与を示唆している可能性がある[17]。これに関連して、Qinらは、重症および非重症のCOVID-19感染症陽性例452例の末梢リンパ球サブセットおよび炎症性サイトカインを分析し、比較している[50]。彼らの研究によると、重症度は炎症性サイトカインの増加とリンパ球、単球、好酸球、好塩基球の数の減少と正の相関があり、白血球数(好中球を含む)の増加と負の相関があることが明らかになった。COVID-19患者で最も影響を受けたリンパ球は、ヘルパー(CD4+)T細胞、細胞障害性T細胞またはサプレッサー(CD8+)T細胞、調節性T細胞、およびメモリーT細胞を含むT細胞であった[50]。さらに、SARS-CoV-2感染の初期段階では、ナチュラルキラー(NK)と細胞傷害性T細胞の総数が著しく減少しただけでなく、その機能も著しく損なわれていた[51]。

回復した数人の患者において、単離された末梢血単核球(PBMC)の表現型解析と、それらの細胞の中でのウイルス特異的なINF-γ産生誘導を用いて細胞免疫を検討した。回復した患者におけるINF-γの産生量の増加は、おそらく抗Nおよび抗S-RBD特異的T細胞の数の増加と関連していると考えられた[17]。しかし、高い抗SARS-CoV-2 T細胞数は退院後2週間は維持されなかった[17]。

早期回復期(ERS)のPBMSの評価では、CD4+およびCD8+を含むT細胞の数が減少し、古典的なCD14++およびCD14++IL1β+を含む単球のレベルが増加していた。後期回復期(LRS)では、単球の比率、B細胞、NK、T細胞の合計数は再び正常であった[52]。別の研究では、回復した患者の100%と70%にそれぞれ特異的な抗ウイルスCD4+およびCD8 T細胞が検出された。抗スパイクT細胞反応は頑健で、抗S中和IgGおよびIgAの力価と正の相関があった。SARS-CoV-2反応性CD4+ T細胞が非感染者の40~60%で検出されたので、驚くべきことに、交差反応性反応は他の一般的な循環型コロナウイルスに対しても起こる可能性がある[53]。

重要なことに、末梢血サンプル中のリンパ球数の減少であるリンパ球減少症は、COVID-19患者における一般的な臨床症状の一つである [5], [50], [54]。MERS-CoVによるヒト一次Tリンパ球への感染、リンパ球減少、アポトーシス経路の誘導が報告されている[55]。しかし、SARS-CoVと比較して、ACE2受容体を介したSARS-CoV-2へのTリンパ球の直接感染の有意な増加、スパイク媒介膜融合、アポトーシスやオートファジーのアップレギュレーションがいくつかの研究で確認されており、これがリンパ球減少症をよりよく説明している可能性がある[56], [57]。感染した組織や炎症を起こした組織へのT細胞の浸潤、T細胞の直接感染によるT細胞の枯渇、ヒトの脾臓やリンパ節の壊死は、重度のリンパ球減少症の他の正当な理由の一つである [58], [59]。

ウイルス感染では、重要な防御障壁としての自然免疫系は、病原体に関連する分子パターンとパターン認識受容体との相互作用を介して抗ウイルス活性を発現し、INF-α/β産生のシグナル伝達経路を刺激する[60]。SARS-CoV-2感染は、抗原提示およびインターフェロン応答の障害を引き起こす可能性があるが、INF-α/βの産生は、感染組織における局所的な一次炎症反応を引き起こし、前炎症性サイトカインおよびケモカインの放出を引き起こし、ウイルス性および組織障害の両方を引き起こす可能性がある[5], [61], [62](図1)。さらに、インターフェロン刺激遺伝子(ISG)の発現誘導は、ISGでもあるACE2のアップレギュレーションをもたらし、感染を促進する可能性がある[63]。

シングルセルRNAシーケンシングによる肺洗浄液中の免疫細胞の評価では、重症COVID-19症例では炎症性の高い単球由来のFCN1+マクロファージ細胞が存在しており、これが激しいサイトカイン分泌やストームに寄与している可能性があることが明らかになった[64]。いくつかのCOVID-19患者の肺洗浄液サンプルの他のトランスクリプトームシーケンシング研究では、ケモカイン(CXCL1,CXCL2,CCL2,CCL8を含む)およびプロ炎症性遺伝子、およびケモカインを惹起する好中球および単球の発現の上昇が明らかになった[65]。また、重症SARS-CoV-2感染者は、IL-6,IL-1β、IL-2,IL-7,IL-8,IL-10,G-脳脊髄液、IP-10,MCP-1,MIP1α、およびTNF-αを含む様々なプロ炎症性サイトカインおよびケモカインの集中的な放出を伴うサイトカインストームを示した [7], [50], [66]。この炎症反応の亢進は、単球およびマクロファージの調節不能な活性化に関連している可能性がある [67]。血清転換に伴い、抗体はウイルスに結合し、その後、ウイルス-抗体複合体のFcRへの付着を介して、FcR媒介のADE応答が起こるかもしれない。マクロファージ、単球、ミエロイド細胞などのFcR保有細胞におけるADE応答は、ウイルスのエンドサイトーシスとミエロイド細胞の活性化をもたらす[25], [68], [69], [70]。また、ADE応答の増加は、サイトカインやケモカインストームを誘発し、悪化させ、二次的な炎症段階、重度のリンパ球減少症、肺損傷につながる可能性がある[25]、[71]、[72]。いくつかの研究では、重症COVID-19患者では総抗体のレベルが高いことが明らかにされており、これは感染症の有害な転帰におけるADE応答の潜在的な役割を支持するものである[73], [74]。

我々は、ウイルスの複製時に生じる一次炎症が、ACE2の脱落といくつかの炎症性サイトカインの放出につながるのではないかと推測している[38], [41]。その結果生じる組織損傷は、免疫細胞を感染部位に勧誘し、単球由来マクロファージ[64]、好中球[65]、細胞傷害性および抑制性T細胞[65], [76]の浸潤および活性化を含むいくつかの抗ウイルス細胞性免疫応答[75]と関連し、好酸球および好塩基球依存性の抗炎症応答[77]を誘発する可能性がある(図2 AおよびB)。2 A & B)。) しかし、リンパ球減少と重症度との正の相関、CRPレベルの上昇、サイトカインストームの誘発、血清転換、およびFcR媒介ADE応答に起因するウイルス複製および炎症の増加は、最終的な重症度のリンパ球減少および免疫系の機能不全に対する細胞性免疫応答の潜在的な危険な影響の理論を支持している(図2B)。重度のCOVID-19患者では、この破壊的なループは、抗ウイルス剤および抗炎症剤の適用と相乗的に、ウイルス負荷の減少および最終的なクリアランスのプロセスに影響を与えるか、または回復不可能な損傷および死につながる可能性がある(図3)。白血球数、抗ウイルスリンパ球の機能的枯渇、サイトカイン放出などの免疫・炎症反応に対する感染関連の破壊的影響は、治療後または回復過程で正常化する可能性がある[51], [52], [78]。これらの細胞はSARS-CoV-2への再感染に対する後天的長期免疫の主な決定要因であるため、免疫系の深刻な損傷によりメモリーT細胞が枯渇している可能性があるかどうかは、まだ経験的に判断されなければならない。

図2 SARS-CoV-2感染と炎症の進行

A)軽度の感染と自然免疫応答。SARS-CoV-2の侵入および複製は、細胞損傷およびADAM17媒介のsACE2の脱落によって産生されるプロ炎症性サイトカインの放出、およびインターフェロン経路の活性化を介して一次炎症を引き起こす可能性がある。軽度の感染は、血清転換および中和IgGの産生の前に起こる可能性がある。ADE反応はこの段階では発現せず、ACE2の脱落とダウンレギュレーション、可溶性ACE2の中和活性、低レベルの炎症、細胞障害性免疫細胞のリクルート、自然免疫反応の活性化、組織内マクロファージの活性化などの後続事象が、最終的なウイルスクリアランスと回復につながる可能性がある。

B)重度の感染とサイトカインストーム。ウイルスの複製の増加は、炎症と組織損傷のアップレギュレーションをもたらし、感染部位へのより多くの免疫細胞のリクルートをもたらす。これは、抗体-ウイルス複合体の生成時にFcR媒介のADE応答をもたらした血清転換と中和抗体の開発と一致する。ADE応答は、サイトカインストームを引き起こす可能性があり、リンパ球の浸潤の増加を介して重度のリンパ減少症につながる可能性があり、最終的には、免疫細胞および感染した組織への深刻な損傷を引き起こす。


図3 感染と回復のサイクル

軽症の感染ループでは、一次炎症、サイトカイン放出、免疫細胞のリクルートなどのイベントを経て回復に至る。重症化した感染例では、一次炎症のループに加えて、血清転換やADE応答の発生を伴い、サイトカインストームと二次炎症応答が発生する。この文脈では、二次炎症は、重篤な損傷とそれに続く免疫機能障害を引き起こす可能性がある。これらはまた、抗体と可溶性ACE2の中和活性の上昇と一緒にウイルスのクリアランスと回復をもたらしたACE2発現細胞と最終的なACE2ダウンレギュレーションの損失につながる。


COVID-19の進行と免疫の全体像

ヒトにおけるSARS-CoV-2感染は、発熱、乾いた咳、軽度の肺炎、無呼吸、呼吸困難、筋肉痛、頭痛・めまい、下痢、および吐き気を含む様々な臨床症状をもたらした [5], [6], [7]。臨床症状は、無症状、軽度から中等度の症状、重度の症状から死亡または症状の軽減、そして完全に回復するまでの病気の進行と関連している[79]。COVID-19陽性例の約80%は臨床症状を示さないか、または軽度から中等度の症状(軽度の肺炎を伴うか否かにかかわらず)を示し、約15%は重度の呼吸器疾患に進行し、5%は急性呼吸窮迫症候群(ARDS)肺不全、敗血症性ショック、または多臓器不全を発症する [5], [59], [80]。

図4に示すように、SARS-CoV-2感染は、(I)無症状の潜伏期間(平均4~5日、場合によってはそれ以上)(II)中等度の症状期間(10~11.5日)様々なレベルと重症度の臨床症状、(III)症状出現後8~9日後に最高レベルのウイルス負荷に達する重症呼吸器症状進行期(ARDS)を経て、[71][72][79]のような段階で進行する。最終段階では、14日目以降に呼吸不全と激しい低酸素により死亡に至ることがある(図4A)。呼吸不全を伴う重症で入院した患者のほとんどは、酸素療法、機械的換気、および非特異的抗ウイルス薬および抗炎症薬で治療すべきである[81]。COVID-19患者における回復は、少なくとも24時間間隔で採取された2つの陰性RT-PCR検査結果によって決定されるウイルスクリアランスに加えて、症状の緩和および消失によって特徴づけられる。

図4 COVID-19の疾患進行

COVID-19感染者は、異なるステージへの疾患進行に関連する臨床症状に基づいて、重度症状群(A)軽度症状群(B)無症状群(C)に分類される。SARS-CoV-2感染症は、(I)無症状潜伏期、(II)中等症期、(III)重症呼吸器症状期、(III)ARDS進行期などのいくつかの段階で進行する。ここでは、感染からクリアランスまでのウイルス負荷の変化をグラフ化した曲線を用いて、これらのカテゴリーにおける疾患の進行状況を示している。また、各グループの主要な細胞・分子メカニズムについても解説している。


WHOの報告によると、症状発現から臨床的回復までの期間の中央値は、軽症例では約2週間、重症・重症患者では3~6週間となっている[82]。重症期からの回復は、重度の肺障害により咳や肺機能障害などの症状が数週間続くことがあるため、回復が遅い場合がある。それにもかかわらず、感染が明らかな回復後に型にはまらない臨床症状を伴う脳などの臓器に影響を及ぼすかどうかは、まだ明らかにする必要がある。COVID-19の進行の前述の段階(I、II、およびIII)の間のウイルスクリアランスには、異なる可能性のあるメカニズムが寄与している可能性があり、自然免疫応答は、初期段階では適応免疫応答を活性化するプライマリーレスポンダーとしての役割を果たしている可能性がある[83]。

ほとんどのCOVID-19患者における総抗体、IgMおよびIgGの血清転換は、発症2週目に起こり、IgGの血清転換時間は遅延し、ウイルス負荷の急激な低下には続かなかった[20], [73]。ウイルス中和抗体、特に抗スパイクIgGの発現は、ADE応答によるIII期およびARDSの進行と一致する(図2Bおよび図3)。SARS-CoV感染症でも見られるように、抗ウイルスIgGの迅速かつ早期の発現は、約14日で最も高い力価を持つ症状の発症内に、死亡率の増加と重度の肺損傷をもたらす[73], [84]。回復した患者のほとんどの中で、ウイルス中和IgGは重症化後数日以内に最高レベルに達する [84]。効率的に中和抗体を生産することは、ウイルスを有意に遮断し、標的受容体への結合を防ぎ、ウイルスの複製を低下させることにつながる[68]。このアプローチは、ほとんどの抗体ベースのワクチン接種法にも適用されている。しかし、SARS-CoV-2に対する中和抗体の産生は、二次的な炎症反応を誘発し、重度の肺損傷を引き起こす可能性がある。SARS-CoVワクチンを接種した動物モデルを用いたいくつかの研究では、ワクチンを接種していない動物と比較して、肺の炎症反応の亢進に伴う肺障害の発生率が高いことが示されている[69], [85], [86]。SARS-CoV-2に再感染した個体や回復した個体では、抗体とウイルスの相互作用によるADE反応の副作用が肺障害を引き起こす可能性があると考えられる。しかし、このことを詳細に明らかにするためには、さらなる研究が必要である。これに関連して、様々なスパイク蛋白質を発現する一連のプロトタイプ DNA ワクチンが、アカゲザルの鼻腔内および気管内 SARS-CoV-2 課題に対する保護効果について評価された [87]。ワクチンは気管支肺胞ラバージ(BAL)および鼻腔スワブ中のウイルス負荷を大幅に減少させ、上気道および下気道でのウイルス複製を劇的に減少させることでサルを保護した。対照的に、免疫原性の低いワクチンは、BALでは部分的な保護を示したが、鼻腔スワブでは本質的に保護を示さなかった。この研究は、パンデミック対策には両臓器での保護が必要であり、上気道での保護はより困難である可能性があると結論付けている[87]。

再感染の文脈では、ウイルスが中和抗体に曝露される前に、上気道などの侵入口でのウイルス複製が起こる可能性があるようである。そして、呼吸中のSARS-CoV-2の高い伝染性とACE2発現細胞(気道上皮細胞および肺胞上皮細胞、肺のマクロファージを含む)への付着は、このプロセスを支持する可能性がある[88]。これは、一次感染から産生される利用可能な抗SARS-CoV-2抗体の質および量に応じて、一次炎症性反応、免疫細胞のリクルート、および再感染組織における二次炎症性反応を誘発する可能性がある。しかし、一般的には、高親和性中和抗体が十分なレベルまで増加するか、または感染部位に到達してウイルスに対して作用し、それ以上の細胞の侵入および複製を阻止するためには、短い時間がかかるかもしれない[29]。このステップでは、以前にSARS-CoV-2に対する特異的な体液性免疫および細胞性免疫を獲得しており、したがって、高速応答を媒介する高効率抗体およびウイルス特異的T細胞[53]の存在は、一次感染および非免疫化された個体と比較して、ウイルス負荷を減衰させ、再感染の間の迅速なウイルスクリアランスにつながる可能性があった。このことは、SARS-CoV-2感染者やDNAワクチンを接種したサルの後天的保護に関するいくつかの研究でも示されている[15], [16], [87]。結論として、SARS-CoV-2再感染に対する抗体関連保護の有効性は、保護中和抗体の存在と十分な量、およびウイルス負荷に対する迅速な応答における血漿細胞およびメモリーB細胞の能力に依存する。

さらに、以前、COVID-19で回復した患者の中で、抗スパイク抗体価および血漿中和活性が検出不能で低レベルであることが報告されている [23], [73]。これは、臨床的に無症状または軽症のCOVID-19患者では、ほとんどの場合、血清転換前の症状前および潜伏期、または軽症の場合は、血清転換およびIgG産生の開始と一致して発生する可能性がある(図4BおよびC)。興味深いことに、ある研究では、無症候性と軽症のSARS-CoV-2感染者の両方が臨床症状と免疫学的反応について評価されている[89]。無症状者の約80%は、症状のある症例と比較してウイルス特異的IgGおよびNAbのレベルが有意に低かった。IgGおよびNAbレベルの低下は、両群とも初期の回復期(退院後8週間)に見られた。IgGとNAb値の平均低下率は、無症状群では71.1%と8.3%、症候群では76.6%と11.7%であった。その結果、この段階では、無症候群の40%、症候群の12.9%がIgGで血清陰性となった。さらに、血漿中の32種類のサイトカインおよびケモカインを測定したところ、健常者と無症候性SARS-CoV-2陽性者との間に有意差は認められず、低レベルであるか、炎症反応が誘導されていないことが示唆された[89]。また、RT-PCR検査では、無症候性症例では、症候性症例(中央値14日)と比較して、ウイルスの脱落期間が長い(中央値19日)ことが明らかになった。しかし、RT-PCR検査で確認されたより長いウイルス排出期間は、サンプリング領域におけるウイルスゲノムの残骸の存在または偽陽性検査の結果として見られるものであり、培養可能な感染性ウイルス粒子の存在によるものではない[89], [90]。

これらの感染者では、抗原提示、Tヘルパー細胞の誘導、抗体産生細胞の活性化における免疫系の機能不全の可能性があるため、血清転換またはIgG産生がピークに達する前にウイルスクリアランスが起こる可能性がある。これらのCOVID-19陽性例の回復は、ACE2の脱落とダウンレギュレーション[42]、可溶性ACE2の中和活性[47], [48], [49]、低レベルの炎症[89]、ウイルス感染細胞の枯渇における組織常駐型マクロファージと浸潤単球由来マクロファージの活動の成功、ウイルスの複製とクリアランスの減少[64], [67]などの分子イベントの寄与によるものではないかと考えられる。興味深いことに、SARS-CoV-2に感染していない人のSARS-CoV-2特異的T細胞も報告されている[53]。SARS-CoV-2ウイルスに対する交差反応性T細胞応答の存在は、おそらく、他のコロナウイルスに以前に感染した集団の一部に細胞性免疫が存在することを示しているのではないかと考えられる。可能性のある交差防御免疫はまた、無症候性および軽症のCOVID-19症例数の増加および進行中のパンデミックへの影響をもたらすかもしれない[53]。結論として、回復後のほとんどの患者では、体液性免疫が獲得されていないか、あるいは非常に低いレベルである可能性がある。また、いくつかの研究で報告されているように、NAbsの量はウイルス特異的T細胞応答と相関しているため、体液性免疫応答の低さは後天的な細胞性免疫の低さを示している可能性がある [17], [53]。これらのSARS-CoV-2感染例では、再感染の可能性があり、再感染した場合には重症化する可能性がある。

重症化している人に連続して発生する事象としては、以下のようなものが考えられる。SARS-CoV-2の感染およびウイルスの複製、ACE2のダウンレギュレーションおよびアンジオテンシンIIの蓄積、細胞障害および一次炎症の誘発、サイトカインの放出および炎症組織への免疫細胞の浸潤、血清変換および抗スパイクIgGの産生。ウイルス抗体複合体の形成とそれに続くADE応答、二次性炎症応答とサイトカインストーム、重度の免疫応答フィードバックとそれに続く重度のリンパ球減少、感染組織の高度に重篤な損傷、ARDS、および呼吸器または多臓器不全(図 2B).

回復シナリオでは、重度の症状を持つ患者(重度の組織損傷および免疫機能障害を持つ患者)の治療を開始すると、サイトカインの放出は、中和抗体の増加とともに、ウイルス負荷の低下、末梢血リンパ球数の回復、損傷を受けた細胞およびウイルス抗体複合体の除去過程での細胞傷害性T細胞および好中球の活性化につながる。最終的には、ウイルスの完全なクリアランス、臨床症状の消失、損傷組織の治癒過程、最終的な回復が達成される可能性がある(図3)。回復後のIgGおよびNAbレベルの低下、およびSASR-CoV-2特異的CD4+およびCD8+ T細胞の顕著な減少も報告されている[17], [52], [89]。回復過程では、短期的な免疫は効率的な中和抗体の産生によって達成されるが、長期的な免疫と再感染からの保護は、重度の損傷にもかかわらず、主にメモリーT細胞とメモリーB細胞の存在と生存に依存している。

感染例の分類

結論として、回復した個体と免疫を得た個体を以下のように分類することができる。

  1. 体液性免疫反応や誘発された記憶を伴わない非常に軽度の症状または無症候性の感染例。
  2. 体液性免疫が低く、細胞性免疫が低い軽度から中等度の症状を呈する感染例。
  3. 体液性免疫が高度に活性化され、記憶をかきたてる中等度または重度の症状を呈する感染例
  4. 体液性免疫が高度に活性化し、細胞性免疫が低い中等度または重症の症状を呈する感染例。

これらのカテゴリーのうち、再感染はグループ1とグループ2で起こる可能性があり、後天的な免疫がないか、または低いレベルであるため、将来的に重症化する可能性もある。グループ3の個体は、さらなる曝露に対する防御力が高く、SARS-CoV-2の防御において増加した誘発記憶を発達させるため、長期的な免疫力を示す可能性がある。一方、このグループもまた、抗体の有効性、半減期およびエピトープ特異性を調べるためにさらに評価され得る。最後のグループは再感染に対して迅速な反応を示す可能性があるが、免疫の非転写性記憶のために、より長い期間の安全性が確保できない可能性がある。後天的な体液性・細胞性免疫の真の効力とSARS-CoV-2のさらなる暴露に対するワクチンの有効性については、さらなる調査が必要である。また、SARS-CoV-2に対する既存の交差反応性T細胞応答[53]もまた、後天性細胞性免疫の有効性を高める可能性がある。集団免疫に関するいくつかの研究では、将来的にCOVID-19のさらなるアウトブレイクを防ぐために、集団の少なくとも60%が免疫を受けるべきであることが示されている[11]、[91]。我々の研究は、どのグループが自然に免疫化され、どのグループが集団免疫を発達させるためにまだワクチン接種が必要なのかを特定するのに役立つかもしれない。

結論と展望

本レビューでは、COVID-19患者の回復の重要な分子免疫学的側面について記述し、ウイルスに対する免疫応答におけるACE2の重要性を取り上げた。感染者は、体液性免疫および細胞性免疫が高い回復患者、体液性免疫および細胞性免疫が低い回復患者、および有意な免疫を持たない感染例を含む異なるカテゴリーに分類された。したがって、過去の感染歴のない個体や、体液性免疫や細胞性免疫が低いか低いか、あるいはないか、あるいは低誘導記憶の感染例は、ワクチン接種プログラムの特別な対象として考慮されるべきであると考えられる。本論文は、COVID-19感染者の回復・免疫過程を明らかにし、COVID-19感染者と非感染者の推定を行うことで、診断評価を向上させ、スクリーニング、ロックダウン、健康証明書発行のための正しい判断を行うための一助となるであろう。また、回復後のSARS-CoV-2感染者を対象とした効率的なウイルス特異的NAbsの開発やメモリー細胞の作製についても検討を進めている。

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