Иммунный ответ на новую коронавирусную инфекцию

Полный текст

ОБОСНОВАНИЕ

Коронавирусы являются оболочечными вирусами, геном которых представлен (+)-цепью РНК [1, 2]. Это самые большие вирусы среди всех РНК-содержащих вирусов. Семейство Coronaviridae состоит из двух подсемейств, основное из которых — Orthocoronaviridae — подразделяется на четыре рода: альфа-, бета-, гамма- и дельта-коронавирусы. Относящиеся к ним патогены могут заражать человека и других млекопитающих, птиц и амфибий. К альфа-коронавирусам относятся давно известный 229Е и открытый к 2003 г. NL63, которые заражают человека и вызывают острую респираторную вирусную инфекцию (ОРВИ) [2]. Среди бета-коронавирусов можно выделить классический ОС43 и обнаруженный в начале 2000-х годов HKU1, так же вызывающие ОРВИ. Кроме того, именно к этому роду относят появившиеся в 2002 и 2012 гг. вирусы, вызывающие острый респираторный синдром (SARS-CoV) и обнаруженный в 2012 г. их ближневосточный аналог (MERS-CoV) [1]. Эти инфекции очень похожи на коронавирусы летучих мышей и пришли в человеческую популяцию через промежуточные виды — цивет, панголин и верблюдов соответственно [3]. Все эти три вируса являются высокоопасными для людей: смертность при инфицировании ими составляет от 0,5–2% в случае SARS-CoV-2 до 30% при MERS-CoV [1] . Вызванные SARS-CoV и MERS-CoV вспышки закончились в течение нескольких месяцев, тогда как возникший в конце 2019 г. новый коронавирус очень быстро распространился в мире, вызвав пандемию: по оценкам, на конец марта 2021 г. количество инфицированных составляет почти 129 млн человек, более 2,8 млн из них погибло [4].

Несмотря на крайне интенсивные поиски противовирусных препаратов прямого действия, т.е. блокирующих репликацию самого патогена, в клинической практике есть лишь несколько веществ для терапии (ремдесивир [5-7], фавипиравир [8, 9] и др. [5]), причем их эффективность до сих пор неоднозначна. Именно поэтому наиболее перспективным направлением борьбы с новой коронавирусной инфекцией является создание профилактических вакцин. На данный момент в России для клинического использования одобрены три вакцины: основанная на аденовирусных векторах Гам-КОВИД-Вак, представляющий собой инактивированные вирионы КовиВак и ЭпиВакКорона, имеющая три пептида-фрагмента белка Spike совместно с белком нуклеокапсида в качестве носителя. За пределами России используются как аналоги данных вакцин, так и мРНК вакцины, созданные компаниями Pfizer-Biontech и Moderna.

Геномная РНК нового коронавируса (SARS-CoV-2) и родственных ему вирусов состоит примерно из 30 тыс. нуклеотидов и содержит как минимум 14 отдельных и частично пересекающихся рамок считывания [10], кодирующих по крайней мере 15 белков [11]. Среди них можно выделить белки оболочки: Spike (отвечает за взаимодействие с рецептором на поверхности клеток), N (образует нуклеокапсид), мембранный (М) и поверхностный (Е) белки. Многие как структурные, так и неструктурные белки вируса являются сильными иммуногенами [12], однако в диагностике концентрируются исключительно на антителах к белкам нуклеокапсида и Spike. В случае последнего часто определяют антитела к его индивидуальным фрагментам S1 и S2, которые образуются в процессе протеолиза Spike, а также домену фрагмента S1, отвечающего за взаимодействие с рецептором (receptor binding domain, RBD). Считается, что бόльшая часть антител к RBD и фрагменту S1 является защитной (нейтрализующей), так как они блокируют связывание вируса с ангиотензинпревращающим ферментом 2 (ACE2) и проникновение вируса в клетки, тогда как антитела к белку нуклеокапсида не обладают такой функцией и потому имеют исключительно диагностическое значение (как было четко показано ранее для SARS-CoV [13]).

Настоящий краткий обзор суммирует современные представления о проценте и времени сероконверсии пациентов после болезни и иммунизации и длительности иммунного ответа на вирус и его антигены. Эта информация крайне важна для принятия решений о мониторинге иммунитета у пациентов, определения времени (ре)вакцинации и выявления групп риска.

ГУМОРАЛЬНЫЙ ИММУННЫЙ ОТВЕТ К SARS-COV И MERS-COV: НА ЧТО МЫ МОГЛИ НАДЕЯТЬСЯ

Когда SARS-COV-2 начал активно распространяться и появились первые переболевшие пациенты, тут же возник вопрос о длительности иммунитета к этой инфекции. Для ответа на него были заново систематизированы данные по исследованию иммунного ответа для родственных SARS-CoV и MERS-CoV, показавшие, что уровни антител остаются высокими по крайней мере в течение 1–2 лет [14, 15]. К концу третьего года антитела могут исчезать, по разным данным, в 44% [14, 16] и почти в 100% [17] случаев. Отсюда был сделан вывод о вероятном сохранении иммунитета людей по крайней мере в течение 2–3 лет после болезни. Однако нельзя не заметить, что большинство таких работ не включало определение титров нейтрализующих, т.е. защитных, антител.

СЕРОКОНВЕРСИЯ У ПАЦИЕНТОВ С COVID-19

Считается, что гуморальный иммунный ответ на белки SARS-CoV-2 вносит основной вклад в защиту от инфекции и выздоровление пациента. Именно поэтому в короткий срок наиболее продвинутыми направлениями в исследованиях стали создание различных тест-систем на разные типы иммуноглобулинов, изучение кинетики их появления и исчезновения, а также вклада в нейтрализацию вируса и поиск детерминант легкого/тяжелого течения.

У пациентов с COVID-19 появляются антитела к различным белкам вируса: белку Spike, его доменам S1 и S2, а также рецепторсвязывающему домену (RBD) [18], белку нуклеокапсида, Nsp8 [19], а также рамкам считывания ORF6-10 [20]. Однако большинство исследователей концентрируется на белках N и S и фрагментах последнего.

Данные о времени появления антител различных классов достаточно противоречивы. Так, сероконверсия у многих пациентов часто происходит к концу первой недели от появления симптомов [21], и в среднем к 10–12-му дню детектируются иммуноглобулины (Ig) классов M и G [22]. Другие группы оценивают время появления антител иначе: например, L. Guo и соавт. [23] наблюдали, что медианное время сероконверсии по IgG составляет 18 дней, по иммуноглобулинам других классов — всего пять. Различия в результатах могут быть связаны с разной чувствительностью использованных тест-систем и с тяжестью протекания самой инфекции. Так, имеются данные как о заметно более раннем [24], так и позднем [25] появлении IgG к антигенам вируса у пациентов в тяжелом и критическом состояниях по сравнению с пациентами с более мягким течением болезни. Кроме того, продемонстрировано, что использование высокочувствительных тест-систем позволяет детектировать антитела различных классов у части пациентов уже на 2–4-е сутки от появления симптомов болезни [26]. Считается, что оптимальной является детекция IgG к RBD (чувствительность 89–96%) [27-29] или белку нуклеокапсида (чувствительность 99%) [27], тогда как, по сообщениям ряда групп авторов, чувствительность IgM к этим антигенам может быть существенно ниже, составляя 61 и 15,6%, соответственно (напр., [27]). С одной стороны, эти данные ставят под сомнение целесообразность измерения уровней IgM и IgA при исследовании иммунитета к новой коронавирусной инфекции. С другой стороны, известно, что у единичных пациентов может появляться лишь один тип антител [29].

Диагностика многих острых вирусных инфекций основана на определении IgM и/или IgA, которые образуются заметно раньше, чем IgG, и исчезают почти сразу после выздоровления пациента. Однако в случае COVID-19 они могут появляться практически одновременно с IgG [22, 26]. Хотя их титры через месяц после проявления заболевания начинают заметно снижаться [30], антитела могут сохраняться у заметного числа пациентов в течение продолжительного времени. Например, у пациентов через 30 недель после заболевания IgM исчезали, то у 25% из них сохранялись детектируемые уровни IgA [31]. Детальный анализ A. Iyer и соавт. [32] показал, что среднее время обнаружения IgA к RBD составляет 71 день, а IgM — 49 дней. Иммуноглобулины класса А также достоверно определяются в слюне по крайней мере в течение 2,5 мес [33]. Из этого следует вывод, что человек, у которого обнаружены IgA и/или IgM, не может автоматически считаться больным и тем более заразным.

РОЛЬ АНТИТЕЛ В ПРОТЕКАНИИ COVID-19 И ЗАЩИТЕ ОТ ИНФЕКЦИИ

За последний год накоплено много данных о корреляции уровней определенных иммуноглобулинов к антигенам вируса с течением COVID-19 у пациента. Ряд авторов выявил повышенные уровни IgG к RBD у людей с тяжелым течением болезни по сравнению с болезнью средней/слабой тяжести [34, 35], хотя в других исследованиях таких различий не отмечали [36]. Сходное повышение было опубликовано и для IgA [18] . У пациентов с бессимптомной или мягкой формой COVID-19 также часто наблюдаются более высокие уровни IgG к Spike, чем к белку нуклеокапсида, и наоборот [37]. Кроме того, неблагоприятный прогноз может быть связан не только с нарушенной продукцией антител в целом, но с измененным спектром узнаваемых ими эпитопов. Например, S. Ravichandran и соавт [18] установили, что у погибших пациентов значительная часть антител к белку Spike узнавала C- и N-концевые фрагменты доменов S1 и S2, тогда как к RBD антитела не образовывались. Наконец, процесс выздоровления пациента сопровождается усилением аффинности антител к белку Spike [18, 38], из-за чего изменения титра нейтрализующих антител могут не совпадать с изменениями титра тотальных антител анализируемого класса [37].

Отдельная задача состояла в определении антител, которые являются нейтрализующими. Уже четко понятно, что защитными являются антитела, узнающие RBD, что подтверждается корреляцией титров нейтрализующих и анти-RBD иммуноглобулинов [39]. При этом остается не совсем понятным, какой из типов антител (IgG, IgM, IgA) вносит наибольший вклад в защиту от инфекции и выздоровление пациента. С одной стороны, защита пациента после болезни или вакцинации имеет место в течение долгого времени, т.е. после исчезновения IgA и IgM. С другой стороны, у реконвалесцентов, у которых обнаруживаются лишь IgG, нейтрализующие свойства сыворотки ниже [40]. Корреляция титра нейтрализующей активности плазмы крови не только с IgG, но и с IgM/IgA позволяет сделать вывод о положительном эффекте диверсификации антител на потенциально защитные свойства организма [41, 42]. Показано также, что падение титров IgM сопровождается снижением уровня нейтрализации [43]. В элегантной работе группы Wang и соавт.[44] установлено, что наиболее высокой нейтрализующей активностью обладают димеры IgA, тогда как активность IgG составляет в 7,5 раз ниже. Наконец, ряд исследователей считают сравнимыми активность IgM и IgA [45].

ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ГУМОРАЛЬНОГО ИММУННОГО ОТВЕТА

Новая коронавирусная инфекция распространилась в Китае в январе-марте 2020 г., а в Европе и в Северной Америке — лишь с середины весны прошлого года. Соответственно, современные оценки длительности гуморального иммунного ответа ограничены сравнительно небольшим периодом наблюдения пациентов. Однако и данные за эти месяцы достаточно противоречивы: так, показано сохранение антител к белку Spike и его фрагментам в течение 6–8–10 мес с момента заболевания [31, 46-48]. В то же время титры антител к белку нуклеокапсида являются менее стойкими: они часто падают уже за несколько месяцев [49, 50].

Данные о кинетике изменения уровней защитных антител в крови достаточно противоречивы. С одной стороны, группа из Китая показала сохранение нейтрализующей активности в крови в течение 10 мес [51], а авторы из Великобритании наблюдали очень быстрое падение уровня нейтрализующих антител в плазме крови переболевших пациентов [29]. Объяснений этим различиям пока нет.

Наконец, необходимо отметить, что даже при падении уровней самих антител в крови переболевших и привитых пациентов, у них могут сохраняться В-клетки памяти, которые способны быстро вырабатывать защитные иммуноглобулины при новом контакте с патогеном. Такие клетки образуются достаточно быстро после выздоровления [52] и обнаруживаются через 6–8 мес [30].

Т-КЛЕТОЧНЫЙ ОТВЕТ

Т-клеточный иммунитет также является объектом исследования различных групп. К настоящему моменту четко показано, что у переболевших новой коронавирусной инфекцией появляются CD4+ и CD8+ Т-лимфоциты [53], активируемые структурными (Spike, M, S, ORF3a) и неструктурными (ORF7/8, Nsp7, Nsp13) белками [54, 55]. По современным данным, наиболее сильный ответ возникает к мембранному (М) белку вируса [56]. Среди вирусспецифичных клеток можно выделить Ox40+ CD137+ CD4+, CD69+ CD137+ CD8+ и цитокинпродуцирующие CD4+ Т-лимфоциты [57, 58]. Группа М. Погорелого на примере двух пациентов с легкой формой инфекции показала, что специфичные D4+ и CD8+ клоны появляются быстро после инфицирования, и после их кратковременной пролиферации у многих клонов появляется фенотип клеток памяти [53]. Примечательно, что некоторые из них были впоследствии обнаружены и у не болевших. Сходные данные были получены группой Г. Ефимова, исследовавшей репертуар рецепторов Т-клеток и показавшей наличие CD4+ и CD8+ Т-клеток, узнающих белок Spike, у пациентов, не сталкивавшихся с вирусом [59] . Возможным объяснением этому может быть узнавание данными клонами мотивов белков других, сезонных, коронавирусов. Это подтверждается данными об узнавании Т-клетками у 5,4% пациентов, переболевших SARS-CoV-2, антигенов HKU1, 229E, NL63 и OC43 вирусов [60].

До сих пор не полностью понятен вклад Т-клеточного иммунитета в защиту от инфекции. Так, имеются наблюдения, что появление Т-клеток, секретирующих IFN-γ, у больных коррелирует с более мягким течением COVID-19 и более быстрым исчезновением вируса у пациентов [54, 58, 61]. Показано также, что у пациентов с симптомами COVID-19 уровни CD4+ клеток, специфичных к белкам вируса, выше, чем у пациентов с асимптоматичным течением болезни [62]. Кроме того, на когорте медицинских работников продемонстрировано, что коронавирусная инфекция может протекать без сероконверсии, но с выраженным Т-клеточным ответом [61]. В пользу значительного вклада данного типа иммунитета в защиту от инфекции говорит и случай длительной (более 87 дней) виремии у пациента с иммунодефицитом, у которого был нарушен CD8+ ответ при сохранении нормального гуморального и CD4+ ответа [63]. Нарушенный CD8+ ответ характерен также для пациентов в критическом состоянии [64]. На мышиной модели коронавирусной инфекции подтверждено, что CD4+ и CD8+ ответ защищает животных от тяжелого течения инфекции, причем лимфоциты действительно способны лизировать инфицированные клетки [65, 66]. Еще одним косвенным подтверждением вклада Т-клеточного иммунитета в защиту от инфекции является нарушение CD8+ ответа у пожилых (старше 80 лет) пациентов [67]. В то же время имеются и противоположные данные. Так, C. Thieme и соавт. [56] не нашли корреляции между кинетикой появления вирусспецифичных Т-клеток и их уровнями, с одной стороны, и временем исчезновения инфекции и тяжестью ее протекания — с другой.

Хотя с момента появления инфекции прошло сравнительно мало времени, уже понятно, что Т- клеточный ответ сохраняется в течение по крайней мере 8 мес [57, 58]. Однако, учитывая сходство новой коронавирусной инфекции с SARS-CoV-2, можно надеяться и на сохранение иммунитета минимум до 6 лет — периода, когда могут исчезать В-клетки памяти и антитела [68].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как показано в настоящем обзоре, за последний год получено много данных о механизмах гуморального и Т-клеточного иммунного ответа на новую коронавирусную инфекцию, созданы эффективные клинические и лабораторные тест-системы для его мониторирования и внедрены в широкую практику различные типы профилактических вакцин. На примере стран с широким охватом вакцинации (таких как Израиль) уже четко видно, что появление популяционного иммунитета существенно снижает количество новых случаев инфекции и гибели пациентов от нее. В то же время многие важные аспекты остаются невыясненными. Во-первых, нет четкого понимания того, какие уровни антител различных классов к белку Spike и его фрагментам защищают от инфицирования (причем при контакте с различными дозами вируса) и от дальнейшей передачи инфекции. Уже понятно, что само наличие антител класса G не является 100% защитой от инфекции, что ясно видно из динамики инфицирования людей, вакцинированных Спутником V [69]. Имеются и примеры повторного заражения пациентов с нормальным гуморальным иммунным ответом [70].

Возможно, ответ на этот вопрос будет получен из сравнения данных о заболеваемости привитых данной вакциной и вакциной Ковивак, основанной на инактивированных вирионах, которая, скорее всего, будет вызывать меньшие уровни антител. Во-вторых, непонятной остается и длительность иммунного ответа на коронавирус, учитывая приведенные выше противоречивые данные различных групп. Таким образом, необходимо продолжать исследования динамики падения уровней антител различных классов к белку Spike у переболевших пациентов и привитых людей, а также оценить вклад в защиту В-клеток памяти, которые могут продуцировать специфические иммуноглобулины при новом контакте с инфекцией. В-третьих, актуальными остаются оценка роли Т-клеточного иммунитета в защите от инфекции и ее тяжелого течения, а также вопросы целесообразности внедрения тест-систем для ее оценки в практику мониторинга пациентов и вакцинированных лиц. В-четвертых, появление новых вариантов вируса ставит вопрос о возможном его ускользании от некоторых компонентов иммунного ответа и о соответственном изменении принципов дизайна вакцин.

Очень быстрый прогресс в области исследования новой коронавирусной инфекции дает основание надеяться на получение в ближайшее время ответов на все поставленные вопросы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Участие авторов. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Источник финансирования. Работа была поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-15-2019-1660).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Об авторах

Вячеслав Сергеевич Федоров

Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: fedorovvyach@gmail.com

лаборант-исследователь

Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 32

Ольга Николаевна Иванова

Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: olgaum@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3673-4714

к.б.н., н.с.

Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 32

Инна Леонидовна Карпенко

Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: ilkzkil@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9849-0447
SPIN-код: 1699-6450

к.х.н., с.н.с.

Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 32

Александр Владимирович Иванов

Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: aivanov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5659-9679
SPIN-код: 5776-5496

в.н.с.

Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 32

Список литературы

Дополнительные файлы