抗体依存性感染増強
抗体依存性感染増強 (Antibody-dependent enhancement, ADE) とは、ウイルス粒子と不適切な抗体とが結合すると宿主細胞への侵入が促進され、ウイルス粒子が複製される現象である。不適切な抗ウイルス抗体は、食細胞のFcγ受容体(FcγR)または補体経路を経由して目標の免疫細胞のウイルス感染を促進する。ウイルスと相互作用した後、抗体は特定の免疫細胞または補体タンパク質の一部で発現されるFcγRに、Fc領域で結合する。この相互作用は、免疫細胞によるウイルス抗体複合体の食作用を促進する。
1960年代にRSウイルスワクチンに関して初めて報告された。
通常は、食作用後はウイルスが分解されるが、ADEの場合は逆にウイルスの複製が引き起こされ、その後免疫細胞が死滅することがある。つまり、ウイルスは免疫細胞の食作用のプロセスを「誑かし」、宿主の抗体を「トロイアの木馬」として使用する。抗体-抗原相互作用の強さが特定の閾値を下回ると、ADEが誘発される。この現象は、ウイルスの感染力と毒性(virulence)の両方につながる可能性がある。ADEを引き起こす可能性のあるウイルスは、抗原の多様性、免疫細胞内での複製能力、細胞内での生存維持などの点で共通点を持つことが多い。ADEは、ウイルスへの一次ないし二次感染時や(生)ワクチン接種後のウイルスの攻撃によって起こりうる。これは主に一本鎖プラス鎖RNAウイルスで観察される。デングウイルス、黄熱病ウイルス、ジカウイルス、α,β-コロナウイルスを含むコロナウイルス、インフルエンザなどのオルトミクソウイルス、HIVなどのレトロウイルス、RSVなどのオルトニューモウイルスなどのフラビウイルス科がそれに含まれる。
FcγRII/CD32受容体を介した免疫複合体の食作用によるメカニズムは、補体受容体経路よりも解明されている。この受容体を発現する主な細胞は、単球、マクロファージ、一部の樹状細胞およびB細胞である。ワクチン接種で生成された抗体が目的感染症についてADEを発生させることがあり、この場合ADEはワクチンの開発を妨げる。このことはCOVID-19のワクチン開発の後期臨床段階における決定的な問題である。コロナウイルスやRSウイルス、デング熱ウイルスを標的とした一部のワクチン候補はADEを誘発したため、その後の開発が中止されたか、以前に当該ウイルスに感染したことがある患者に対してのみ使用が承認された。
α-およびβ-コロナウイルスで、抗体依存性感染増強が報告されている。
コロナウイルスが惹起するADEのメカニズムについてはいくつもの仮説が提唱されている。そのうちの一つである、コロナウイルスのスパイクタンパク質と免疫細胞のFcRII/CD32受容体との相互作用であるとの説は、実験結果からも最も支持されている。実験データでは、ウイルス-抗体-Fc受容体複合体が標的とするCD32+免疫細胞に侵入する際に機能的にウイルス受容体を模倣していることが示唆されている。
コロナウイルスによるADEは、ウイルスのスパイク (S) タンパク質に対する抗体により促進されると考えられる。この現象はネコ伝染性腹膜炎ウイルスなどのα-コロナウイルスの他、SARS-CoV-1やMERS-CoVなどのβ-コロナウイルスでも観察される。これまでのところ、ウイルスの他の部位に結合した抗体ではこのような作用はなく、スパイクタンパク質に抗体が結合した場合にのみ、食作用によりFcγRII経由で免疫細胞内に取り込まれ、ウイルス粒子が分解されずに複製され始める。スパイクに抗体を持つ血清はヒト単球由来マクロファージへのSARS-CoVの感染を増加させる。SARSウイルスのヒト免疫優性エピトープ(ヒト免疫が抗体を作りやすい部位)はヒト以外の霊長類では増強作用と中和作用の両方を示す。ただし、マウスをベクター構築をエンコードするNタンパク質で事前免疫すると、SARS-CoV-1の感染時に重度の肺炎が促進される。このワクチン誘発性肺炎は恐らくADEと関係がある。SARS-CoVやMERS-CoV、SARS-CoV-2のNタンパク質は、補体活性化経路に関与するセリンプロテアーゼMASP-2に結合できることが示されている。この結合はタンパク質誘発性の補体過剰活性化を引き起こす。マウスでこの現象が起こるということは、ヒトでも同様の現象が起こりうることを示している。Nタンパク質の一部(115-123)はMASP-2と直接相互作用する。しかし、Nタンパク質は検出可能量のSARS-CoV中和抗体産生のきっかけとはならなかったため、ADEとの関連は非常に薄いと考えられる。
FcyRII/CD32受容体を介してβ-コロナウイルスが免疫細胞に侵入できるという実験結果がある。ウイルス-抗体複合体はFcγRII受容体と結合した後CD32細胞に食作用により取り込まれる。免疫細胞表面に発現する2種類の受容体(FcγRIIaとFcγRIIb)のみが、SARS-CoV-1によるADEを惹起する。一方で、FcγRIやFcγRIIIaは惹起しない。加えて他の研究では、SARS患者の重症度がFcγRIIaの遺伝子多型に関連していることが示された。IgG1とIgG2の双方と相互作用可能なFcγRIIa多型患者では、IgG2のみと相互作用可能な多型の患者よりも重症化する傾向にある。下表に示すように、FcyRII受容体は好塩基球、好中球、好酸球、血小板に存在する。これまでのところ、これらの細胞への感染は実証されていないが、除外することはできない。
SARS-CoV-1のSタンパク質を標的とする抗体は、B細胞、単球、マクロファージなどのFcγRII受容体を持つ細胞(CD32+細胞)へのウイルス侵入を促進する。これらの細胞ではウイルスは複製するが、増殖性の感染は促進しない。これは、骨髄系のこれらの細胞が、ビリオンの活性化に必要なセリンプロテアーゼを充分に発現しないという事実が原因である可能性がある。しかしながら、ウイルスの複製は、感染性のビリオンが形成されていない場合でも、FcγRII受容体を持つ免疫細胞の大量死につながる可能性がある。確立された複数の細胞株や初代(継代していない)ヒトマクロファージは、抗体を媒介するSARS-CoV-1感染に対して脆弱であった。また、初代ネコマクロファージは抗体媒介性ネコ伝染性腹膜炎ウイルス(FIPV)感染に対して脆弱であった。
FcγRII受容体はIgG抗体とのみ結合する。一部の実験では、ADEは主にIgG2aサブクラスの抗体で発生したが、IgG1サブクラスの抗体では発生しなかったことが示されている。
ネコ伝染性腹膜炎ウイルス(FIPV)は、飼い猫と野生猫の両方で非常に一般的な病原体でα-コロナウイルスである。FIPVはADEを惹起しうるので、FIPVに対するワクチン接種は疾患の重症化に繋がる。in vitro におけるマクロファージのFIPV感染は、スパイク(S)タンパク質を標的とする非中和モノクローナル抗体によって引き起こされる可能性があり、この現象は希釈中和抗体でも発生する可能性がある。いくつかのデータは、ADEがFIPSウイルスと同じ血清型での再感染により促進される可能性が高いことを示している。ADEは、ネコの半数が、抗ウイルス抗体で受動免疫されてから同じFIPV血清型に暴露された後、腹膜炎を発症する理由を説明している。いくつかの国では、弱毒ウイルスワクチンが点鼻薬の形で入手可能である、しかしこれは、多くの専門家の間でまだ、安全性と有効性の両面で論争の的になっていると思われる。
ADEによると思われるβ-コロナウイルス感染事例が複数確認されている。ウイルス曝露時におけるADE関連疫病理学は、コロナウイルスワクチン開発の主要な課題であり、SARS-CoV-2ワクチン研究にも同様に影響を与える可能性がある。この現象は、培養細胞実験と動物モデル試験の両方で実証されている。 ADE関連の急性肺損傷は、重症急性呼吸器症候群(SARS)と中東呼吸器症候群(MERS)の両方の動物モデルについて論文化されている。これは、初期感染、再感染、ワクチン接種後の感染中に発生する可能性がある。例えば、MERS-CoVを鼻腔内感染させたウサギは、ウイルス血症と肺の血管周囲炎、中和抗体を欠いた抗体反応を特徴とする肺感染症を発症した。ウサギは最初のMERS-CoV感染後には中和抗体を産生したものの、ウイルスへの再曝露によってより重篤な肺疾患を発症した。同様の結果はマウスにSARS-CoVを再感染させた場合やワクチン接種したマウスにウイルスを感染させた場合にも観察された。マウスは、SARS-CoV自体による再感染後または4種類のワクチン接種後に中和抗体を発生させることができたが、これらの群が対照群と比較してウイルスから保護されているにも拘わらず、SARS-CoV再感染後に全ての群が免疫病理学的な肺損傷を発症した。同様の問題はハムスターや非ヒト霊長類でも観察されている。ワクチン接種されたマカクは少量のウイルス再投与でもADEによる急性肺障害を発症した。これらの動物では、不活化ウイルスやSARS-CoVのスパイク(S)タンパク質の全長をコードする改変ワクシニアアンカラにもとづくベクター構築物を用いたワクチンの両方で肺損傷が発生した。しかしフェレットの場合は、同様のベクター構築物投与後にウイルスを感染させると、肺障害ではなく重症肝炎が発生した。下表に、MERS-CoVとSARS-CoV-1を対象とした動物実験のまとめを掲載する。マウスを用いたワクチン候補物質に関する詳細は、別の論文にまとめられている。
SARS、MERS、COVID-19の病因は、初期感染中の単球、マクロファージ、B細胞の感染で発生する。ADEに関連している可能性がある。一部では、軽症のCOVID-19が重大な症状を伴って重症化する過程においてADEが重要なステップであると考えられている。ADEは、Th1サイトカインであるIL-2、TNF-α、IFN-γの減少、およびTh2サイトカインであるインターロイキン-10、IL-6、PGE-2、INF-αの増加、ならびにSTAT経路の阻害を伴って発生する。このプロセスは、COVID-19感染を特徴付ける多臓器での汎発的な免疫細胞感染およびサイトカインストームを誘発する可能性がある。ADEは、免疫細胞のアポトーシス、T細胞減少症、肺でのマクロファージと好中球の蓄積を伴う炎症性カスケード、過剰な免疫反応であるサイトカインストームなどの免疫系の調整不全を説明できる可能性がある。他にもSARSとMERSに関する同様の仮説がいくつか提示されている。
SARS-CoVとMERS-CoVは、不明確な機序による攻撃的な炎症を含むCOVID-19の免疫病理学効果と同様に、急性肺障害に寄与する。この研究では、ワクチン接種されたSARS-CoV/マカクモデルと、最終的にSARSで死亡した重症患者との間の対応が示されている。この論文の著者らは、Sタンパク質を標的とするIgG抗体がウイルスの攻撃後にサルの急性肺損傷を引き起こすと結論付けた。ウイルスの除去前にこの抗体が存在すると、単球走化性タンパク質-1とIL-8の産生が促進され、炎症性単球/マクロファージの動員と蓄積が引き起こされる。重症患者の血清にも同様の特徴が見られる。しかし、Fcγ受容体を阻害するとこれらの免疫病理学的効果は軽減される。これらのデータは、重症のSARS患者やワクチン接種マカクの感染における免疫を介した急性肺損傷のいくつかの特徴を示している。これは、ウイルスのSタンパク質を標的とするIgG抗体が、ヒトおよび動物の免疫病理学的発症の共通の引き金となることを意味している。
SARS-CoV-1:ex vivo の実験で、SARS-CoV-1が初代単球およびマクロファージ内で複製され、不稔感染を引き起こしたり、感染力の低いウイルス力価をもたらしたりする可能性があるという限定的な証拠が存在する。また、Sタンパク質を標的とする抗体が、ex vivo で、単球、B細胞、マクロファージの非生産的なウイルスの不稔感染を促進する可能性があるという証拠も存在している。確立された細胞株と初代ヒトマクロファージは、抗体媒介性の不稔ウイルス感染に対して脆弱である可能性がある。
SARS-CoV-2:ex vivo の実験で、SARS-CoV-2が健康なドナーの末梢血単核球(PBMC)から分離された  初代CD4+ T細胞の不稔感染を促進できるという限定的な証拠が存在する。このウイルス複製過程は、抗体の不在下でも進行する。いくつかの予備データは、SARS-CoV-2抗原および複製二本鎖RNA中間体がCOVID-19患者の単球、B細胞、(より頻度は低いが)末梢血単核球由来のCD4+ T細胞で検出されたことを示している。加えてこの研究では、ウイルスはex vivo で健康なドナーの末梢血単核球中で低力価のウイルスを複製できることが示されている。
下表にSARS-CoV-1とSARS-CoV-2による免疫細胞感染の証拠となる論文をまとめる。
MERS-CoVを鼻腔内感染させたウサギは、ウイルス血症および周皮細胞炎を伴う肺感染症を発症した。ウサギは最初のウイルス感染後に中和抗体を産生したが、MERS-CoVへの再曝露はより重篤な肺疾患を引き起こした。ネコの場合は、ADEは同じ血清型のネコ伝染性腹膜炎ウイルスに再感染した場合に発症すると考えられる。
COVID-19パンデミックで現在進行中の問題は、COVID-19が抗原原罪として知られている抗原刷り込みのメカニズムを通じて季節性コロナウイルスによる以前の感染を原因としてADEが発生するか否かである。抗原刷り込みの現象は、初期感染中に永続性の免疫記憶細胞を形成する身体の能力にもとづいており、これは体内に残ってその後の感染に対する保護機能を提供する。免疫記憶細胞は、ウイルスタンパク質の表面上の特定の抗原性エピトープに応答して、抗原特異的抗体を産生する。メモリーB細胞は、新しい抗原に対する抗体を産生するナイーブB細胞よりも速く感染に反応する。抗原刷り込みは、その後の感染を除去するために必要な時間を短縮する。これは感染との戦いにおいては正の役割であるが、同時に負の役割でもある。初期感染と、二次感染またはワクチン投与後の感染との間に、ウイルスは抗原連続変異を生じる可能性があり、ウイルス表面の抗原性エピトープが変異によって変化するため、ウイルスは免疫の監視から逃れることができる。これが起こった場合、ウイルスの新しい変異体は以前のメモリーB細胞を優先的に再活性化し、対応する抗体の産生を刺激するが、これらの抗体は、変異した抗原に非効率的に結合する傾向がある。これには親和性と結合力の消失を伴うことが多い。加えて、この抗体はナイーブB細胞の活性化を抑制し、変異ウイルスに対する親和性の高いより適切な抗体の産生を阻害する。このため免疫応答の効率が低下し、抗体依存性感染増強や再発性感染が惹起される。その結果、感染から回復に時間が掛かることになる。ある仮説はこの現象に紐付けられており、季節性の低病原性コロナウイルスとSARS-CoV-2の間の考えうる免疫学的交差反応性にもとづいている。この仮説によれば、病原体に対する免疫系の迅速な反応により、季節性コロナウイルス用に開発された抗原刷り込みは、COVID-19の経過を防止または緩和することができる。おそらく、何らかの形での感染症の発症は、人体のすべてのシステムの個々の特性と、免疫システムが既に遭遇した病原体のレパートリーの両方に依存する。
6人の患者を観察した結果、3人が回復し3人が死亡し、Sタンパク質に対する抗体がADEを引き起こすことによって患者に害を及ぼす可能性があるという考えが裏付けられた。特定の体液性応答の比較分析では、SARS-CoV-1感染で死亡した患者では、Sタンパク質に対する中和抗体が、回復した人よりもはるかに速く産生されたことが示された。その後死亡した患者の15病日目のSタンパク質に対する抗体の力価は、その後回復した患者よりも有意に高かったことが明らかにされた。同時に、死亡した患者の中和抗体の力価は、回復した患者の力価よりも速く増加したが、より速く減少した。更に回復した患者では、抗体価はゆっくりと増加した後、より高いレベルに上昇し、その高力価に長く留まった。抗体力価の変化のこの動力学的特徴は、IgM抗体とIgG抗体の両方で見られた。死亡した患者ではウイルス感染の抗体依存性の増加が重症に惹起され、ウイルスを中和する能力のない抗Sタンパク質抗体の急速な産生がこれに寄与したと推定される。力価上昇がより遅い程、より強い親和性および結合力を持つ高い結合定数を有する抗体の産生に寄与した可能性がある。非重症患者と比較して重症患者の抗体レベルが有意に過剰であることは、別の研究の患者325人のサンプルでも観察された。347人のSARS患者を観察した他の研究では、死亡した患者では抗体が早期に出現することが判明した。
63例の患者を観察した結果、すべてのIgG抗体サブクラスの中でIgG1とIgG3が最も一般的であり、入院患者の方が軽症患者よりも量が多いことが示されている。IgG1からSタンパク質へのシグナルはIgG3シグナルよりも強かったが、この違いはNタンパク質を標的とする抗体では不明瞭であった。入院患者の血清中に見つかったSARS-CoV-2のSタンパク質に対するIgG抗体の量を測定すると、SARS-CoV-1と同様の結果が得られた。285人の患者を観察した結果、重症患者では、軽度患者と比較してIgG抗体の早期出現が認められた。興味深いことに、IgM抗体に関しては、異なる動力学が観察され、重症患者でも、軽度患者と同等またはより低い力価であった。同様の結果が723人の患者の観察研究からも得られた。重症患者ではIgG抗体量が多かったが、IgM抗体はそうではなかった。COVID-19患者173人と153人のデータでは、非重症患者と比較して、重症患者の抗体レベルが大幅に過剰になるのは、症状の発症から2-3週間後であった。また、29人の患者の観察結果からは、S1サブユニットをターゲットとするIgG抗体価と、乳酸脱水素酵素(LDH)などのいくつかの炎症マーカーの濃度との間に、正の有意な相関が見られた。同時に、S1サブユニットを標的とするIgG抗体価とリンパ球数の間に有意な逆相関が見られた。別の研究では、抗体レベルと心筋障害の発生との間に正の相関があることが示されている。しかし、338人を対象とした研究では、これらの知見を確認できなかった。アボットARCHITECT測定機を用いた497名の研究でも違いは検出されなかった。しかし、この測定機はSARS-CoV-2のNタンパク質に直接結合している抗体のみを検出するもので、Sタンパク質に結合している抗体は検出されない。それにも拘わらず、すべてのデータのかなりの部分は、重病患者ではIgG抗体が特定の病期でより高いレベルで見られるという観察結果を裏付けている。これらの抗体のかなりの部分はSタンパク質を標的としている可能性が最も高く、Sタンパク質に対する抗体は、COVID-19に罹患した患者における抗体のかなりの部分を占めている。したがって、おそらく、Sタンパク質を標的とする抗体は、免疫系に損傷を与えている可能性がある。 ただし、この仮説には、さらに実験的な証明が必要である。 以表に、抗体測定結果をまとめた。
2008〜09年の三価不活化インフルエンザワクチン(TIV)接種は、2009年の春から夏に掛けてのカナダでのH1N1パンデミックに関係があるとされるが、選択バイアス、情報バイアス、交絡の発生を完全には否定できない。解明にはさらなる実験的・疫学的評価が必要であり、生物学的機序や免疫疫学的意味を考慮しなければならない。
A型インフルエンザウイルスに一次感染した、または弱毒化生ワクチンで免疫された幼児の血清について、ウイルスを中和する抗体反応またはFc受容体を持つ細胞へのウイルス取り込みを促進する抗体応答について調べたところ、その数年後に分離された同種ウイルスや別のH1N1ウイルスに対する中和抗体価は、弱毒化生ワクチン接種後よりも自然感染後の方が高かった。自然感染と弱毒化生ワクチンは、数年後に分離された相同ウイルスとH1N1ウイルスの取り込みを促進する抗体を誘導した。これはA型インフルエンザウイルスへの一次感染が感染増強抗体の誘導をもたらすことを示す。
H7N9ウイルスの感染流行に関して抗体依存性感染増強の発生が疑われたが、知見は限られている。
The most widely known example of ADE occurs in the setting of infection with dengue virus, a single-stranded positive-polarity RNA virus of the family Flaviviridae. It causes a disease of varying severity in humans, from dengue fever (DF), which is usually self-limited, to dengue hemorrhagic fever and dengue shock syndrome, either of which may be life-threatening. It is estimated that as many as 390 million individuals are infected with dengue virus annually.
The phenomenon of ADE may be observed when a person who has previously been infected with one serotype of the dengue virus becomes infected months or years later with a different serotype. In such cases, the clinical course of the disease is more severe, and these people have higher viremia compared with those in whom ADE has not occurred. This explains the observation that while primary (first) infections cause mostly minor disease (dengue fever) in children, secondary infection (re-infection at a later date) is more likely to be associated with dengue hemorrhagic fever and/or dengue shock syndrome in both children and adults.
There are four antigenically different serotypes of dengue virus (dengue virus 1–4). In 2013 a fifth serotype was reported. Infection with dengue virus induces the production of neutralizing homotypic immunoglobulin G (IgG) antibodies which provide lifelong immunity against the infecting serotype. Infection with dengue virus also produces some degree of cross-protective immunity against the other three serotypes. Neutralizing heterotypic (cross-reactive) IgG antibodies are responsible for this cross-protective immunity, which typically persists for a period of several months to a few years. These heterotypic antibody titers decrease over long time periods (4 to 20 years). While heterotypic IgG antibody titers decrease, homotypic IgG antibody titers increase over long time periods. This could be due to the preferential survival of long-lived memory B cells producing homotypic antibodies.
In addition to inducing neutralizing heterotypic antibodies, infection with the dengue virus can also induce heterotypic antibodies that neutralize the virus only partially or not at all. The production of such cross-reactive but non-neutralizing antibodies could be the reason for more severe secondary infections. It is thought that by binding to but not neutralizing the virus, these antibodies cause it to behave as a "trojan horse", where it is delivered into the wrong compartment of dendritic cells that have ingested the virus for destruction. Once inside the white blood cell, the virus replicates undetected, eventually generating very high virus titers which cause severe disease.