Poznání imunopatogeneze infekce koronavirem SARS‑CoV‑2: klíč ke konstrukci úspěšných vakcín
SOUHRN
Infekce koronavirem SARS‑CoV‑2 se již zhruba rok šíří lidskou populací v takové míře, že šíření bylo označeno jako pandemické. Zatím jsou k dispozici pouze protiepidemická opatření, která však omezují šíření viru v populaci pouze částečně a za cenu mimořádných ekonomických ztrát. Očekává se, že lepších výsledků bude dosaženo kombinací protiepidemických opatření a plošné aktivní imunizace. Pro konstrukci vakcín je zapotřebí co nejpodrobnější znalost imunopatogeneze infekce SARS‑CoV‑2. Infekce se šíří vzdušnou cestou a osobním kontaktem. Důsledky infekce jsou vysoce individuální. U většiny lidí probíhá infekce s malými klinickými projevy, či dokonce inaparentně. Část infikovaných však progreduje do klinicky závažných projevů nemoci COVID‑19. Tyto rozdíly jsou určeny odlišnostmi v individuální imunitní reaktivitě, která rozhoduje o efektivitě obranného zánětu a o případném přesmyku do zánětu poškozujícího, který je charakterizován ztrátou homeostatických regulací imunity.
Klíčová slova: SARS‑CoV‑2 · pandemie · šíření · imunopatogeneze · vakcinace
SUMMARY
Infection by coronavirus SARS‑CoV‑2 is already spreading through human population in pandemic extent for one year. The current approaches to control the spread of SARS‑CoV‑2 infection are based on antiepidemic measures only, are displaying the high economical burden. It is anticitipated that better results will be achieved by the combination of antiepidemic measures and active immunisation. The deep knowledge of SARS‑CoV‑2 immunopathogenesis is essential to costruct the most effective vaccines. The transmission of SARS‑CoV‑2 infection is predominantly through respiratory tract and via personal contact. The impact of infection on the health is very individual in the range from mild disease or even asymptomatic infection on one pole and very severe COVID‑19 disease ultimating sometimes to the death at the second one. These differencies are reflecting the individual immune reactivity which can decide about the efficacy of protective inflammation against SARS‑CoV‑2 infection which can switch into immunopathology in some predisposed infected patients characterized by the loss of homeostatic regulation of immunity.
Key words: SARS‑CoV‑2 · pandemic · spread · immunopathogenesis · vaccination
ÚVOD
Pravděpodobně již na konci roku 2019 se začal v lidnaté oblasti Číny okolo města Wu‑chan šířit nový virus, který způsoboval u části infikovaných lidí vážné klinické obtíže až smrt. Na začátku roku 2020 byl virus identifikován a charakterizován. Podrobnou analýzou bylo prokázáno, že se jedná o virus řazený mezi koronaviry. Podle dosavadních vědeckých nálezů jde o koronaviry přirozeně infikující netopýry. Přes dosud neurčeného zvířecího přenašeče došlo k rozšíření rozmezí hostitele na člověka. Nejsou žádné důkazy o tom, že by byl uměle zkonstruován v čínských laboratořích, jak je často ve veřejném prostoru komunikováno. Byl označen jako virus SARS‑CoV‑2, protože se velmi podobá svými molekulárně biologickými vlastnostmi původci onemocnění SARS, které bylo zaznamenáno v lidské populaci v roce 2002. Z epidemiologických dat bylo od počátku zřejmé, že SARS‑CoV‑2 je vysoce infekční. Infekce SARS‑CoV‑2 se velmi rychle rozšířila a byla Světovou zdravotnickou organizací (WHO) právem klasifikována jako pandemie. Šíří se v populaci především vzdušnou cestou a kontaktem. Zatím z ne příliš dobře popsaných důvodů naštěstí jen u relativně malé části osob progreduje do klinicky závažného onemocnění označovaného jako nemoc COVID‑19, jež může být až příčinou smrti. Velmi individuální průběh infekce SARS‑CoV‑2 nepochybně odráží individuální imunitní reaktivitu každého člověka. Závažný průběh je nejčastěji asociován s vysokým věkem infikovaných osob a s různými komorbiditami. U takto disponovaných lidí se obranný zánět přesmykuje v zánět poškozující se všemi negativními dopady.
Již skoro rok jsme vystaveni nejrůznějším pokusům, jak zabránit šíření SARS‑CoV‑2 v populaci, či spíše jak je omezit. Různé země zvolily různý přístup s různými výsledky. Zatím je zřejmé, že jedinou ochranou je pokud možno co nejefektivnější omezování šíření viru v populaci protiepidemickými opatřeními. Ta však narážejí na malou ochotu lidí se těmto opatřením podřizovat. Mají také závažné dopady na fungování ekonomiky i politických systémů. Pozitivních výsledků přísných protiepidemických opatření bylo zatím docíleno pouze v některých zemích, např. v Jižní Koreji a Čínské lidové republice, které charakterizuje vysoká míra společenské koheze. Neosvědčil se přístup prosazovaný např. ve Švédsku. Zde bylo prováděno „řízené promořování populace“. Pozitivní dopady na šíření viru a zdravotní stav obyvatelstva tento přístup neměl. Podle současných vědeckých názorů bude možné pandemii SARS‑CoV‑2 zvládnout pouze kombinací účinných protiepidemických opatření s aktivní imunizací celosvětové populace. V současné době již byly schváleny pro masové použití některé typy vakcín a plošné očkování bylo v řadě zemí, včetně České republiky, zahájeno.
Cílem tohoto sdělení by mělo být stručné shrnutí současného stavu poznání imunopatogeneze infekce koronavirem SARS‑CoV‑2 v kontextu aktivní imunizace, která by optimálně měla chránit proti přenosu infekce SARS‑CoV‑2, případně zabránit závažným zdravotním dopadům infekce.1
IMUNOPATOGENEZE INFEKCE SARS‑COV‑2
SARS‑CoV‑2 je řazen mezi beta koronaviry. Jedná se o RNA virus, který využívá jako genom jednořetězcovou pozitivní RNA. Genom SARS‑CoV‑2 je v porovnání s jinými RNA viry komplikovaný. Virová RNA je obklopena nukleokapsidou (N) a obalem tvořeným biomembránou hostitelské buňky; s obalem jsou asociovány tři strukturní proteiny – membránový protein (M), obalový protein (E) a tzv. spike glykoprotein (S). Kromě těchto strukturních proteinů genom obsahuje informaci pro 16 nestrukturních proteinů (nsp1‑16). Bez dalších detailů konstatujeme, že proteiny nsp jsou zapojeny významně v replikaci a sestavení virových partikulí SARS‑CoV‑2.
Mimořádné úsilí zaměřené na zkoumání interakce SARS‑CoV‑2 a hostitelských buněk vedlo velmi rychle ke zjištění, že SARS‑CoV‑2 vstupuje do permisivních hostitelských buněk prostřednictvím glykoproteinů S. Pro efektivní interakci glykoproteinů S s receptory pro tento virus, kterými jsou molekuly angiotenzin konvertujícího enzymu typu 2 (ACE2), je nutná spoluúčast lidských proteolytických enzymů, které naštěpí glykoprotein S. Bez tohoto proteolytického rozštěpení není fúze virionu s biomembránou lidských buněk možná. Z uvedeného je zřejmé, že cílem obranné reakce je ideálně zabránit interakci mezi S glykoproteiny SARS‑CoV‑2 a jejich buněčným receptorem ACE2. Oprávněnost této představy můžeme doložit skutečností, že cílem většiny vakcín, které jsou připravovány, je indukovat imunitní reakci právě proti S glykoproteinu a jeho unikátním strukturám odpovědným za komplexní interakce s buněčným receptorem ACE2.
Buňky permisivní pro SARS‑CoV‑2 musejí exprimovat receptor ACE2. Ten je vyjádřen na epitelových buňkách respiračního a trávicího traktu. Nachází se také na spojivkovém epitelu. Je vyjádřen na endotelových buňkách. SARS‑CoV‑2, může infikovat v různé míře i buněčný substrát imunity, konkrétně plicní makrofágy a jiné tkáňově lokalizované makrofágy. Exprese receptoru ACE2 je na zmíněných buněčných typech rozdílná. I ty buňky, které mají nižší denzitu exprese ACE2, mohou být virem efektivně infikovány. Přes skutečnost, že většina osob infikovaných SARS‑CoV‑2 má projevy postižení centrální nervové soustavy (CNS), např. bolesti hlavy, ale především většinou přechodnou ztrátu čichu a chuti, je velmi málo známo o interakcích SARS‑CoV‑2 s CNS. Receptory ACE2 jsou vyjádřeny na neuronech, astrocytech, oligodendrocytech i mikrogliích. Virus, stejně jako jiné respirační viry, může vcházet do struktur CNS přes hematoencefalickou bariéru nebo neuronálním prostupem pravděpodobně po čichovém nervu. Je velmi pravděpodobné, že blízká budoucnost přinese podstatné informace, které se týkají ovlivnění struktur CNS SARS‑CoV‑2. Jistě to bude mít podstatné dopady na naše chápání imunopatogeneze infekce SARS‑CoV‑2 jako celku. Lze předpokládat, že to povede i k objasnění změn zdravotního stavu lidí, kteří prodělali infekci SARS‑CoV‑2. U části z nich přetrvávají dlouhodobě pocity tělesné únavy, poruchy spánku, změny nálady, někdy až deprese.2
Při nejčastější formě přenosu, tj. respirační cestou, jsou SARS‑CoV‑2 exponovány epitelové struktury respiračního traktu. Účinnost infekce bude nepochybně závislá na virové náloži, které je člověk vystaven. Podstatné budou také imunobiologické vlastnosti konkrétního kmene, jemuž je jedinec vystaven. S ohledem na proměnlivost jsou nalézány např. „anglické“ kmeny, „jihoafrické“ kmeny a jistě budou následovat i další. První obrannou linii představují fyziologické bariéry respiračního traktu, které brání interakcím SARS‑CoV‑2 s epitelovými strukturami. Zahrnují především muciny, proteolytické enzymy a antimikrobiální peptidy tvořené epitelovými buňkami. Významné je také přirozené očišťování povrchů respiračního traktu, do kterých jsou zapojeny buňky řasinkového epitelu a další očistné mechanismy. U osob, které se již s infekcí SARS‑CoV‑2 setkaly, lze čekat významný protektivní podíl specifických sekrečních protilátek sIgA. V dolních dýchacích cestách jsou infikovány pneumocyty I. i II. typu. Jak epitelové struktury, tak složky vrozené imunity jsou dobře vybaveny k identifikaci virových vzorů PAMP (pathogen associated molecular patterns) prostřednictvím receptorů PRR (pattern recognition receptors). V endozomálním kompartmentu jsou přítomny receptory z rodiny TLR (toll‑like receptors), např. TLR9 a TLR7, které identifikují virové nukleové kyseliny. Virové PAMP efektivně identifikují také receptory z rodiny RLR (RIG‑I‑like receptors) a z rozsáhlé skupiny receptorů PRR označovaných jako NLR (nod‑like receptors). Identifikace prostřednictvím receptorů RLR preferenčně aktivuje signální dráhy vedoucí k tvorbě interferonů I. a III. třídy. Prostřednictvím NLR jsou aktivovány inflamazomy, jejichž úkolem je proteolyticky aktivovat latentní formy cytokinů, např. proIL‑1β nebo proIL‑18 za vzniku pluripotentních prozánětlivých cytokinů. Ty vznikají cestou již zmíněných receptorů TLR, jejichž prostřednictvím jsou po identifikaci virových PAMP aktivovány signální dráhy vedoucí k sestavení signalisomu a k aktivaci transkripčního faktoru NFκB. Prostřednictvím aktivovaného NFκB je stimulován přepis několika set genů, které kódují především prozánětlivé cytokiny, chemokiny a aktivační působky vedoucí k iniciaci obranné zánětlivé reakce.3
Do obranného zánětu jsou vedle složek vrozené imunity zapojeny také epitelové struktury a jiné buněčné typy, které jsou ve větší nebo menší míře vybaveny schopností identifikovat virové PAMP svými receptory PRR. Zvláštní postavení v obranné reakci je dáno dendritickým buňkám. Dendritické buňky představují mimořádně heterogenní buněčnou populaci buněk vrozené imunity, které jsou rozptýleny ve všech tkáních našeho těla. Jsou v nejvyšší míře vybaveny receptory PRR k identifikaci vzorů PAMP spojených s patogenními mikroorganismy. Jsou však také schopny identifikovat vzory vnitřního poškození DAMP (damage associated molecular patterns), tvořené buď přímo působením patogenních virů, nebo jsou důsledkem obranné, především cytotoxické reakce vzbuzené virovou invazí. Dendritické buňky je možné charakterizovat na základě jejich membránové výbavy také v kontextu jejich funkcí. Velmi zjednodušeně lze říci, že tkáňově lokalizované dendritické buňky jsou schopny po identifikaci vzorů PAMP/DAMP vyhodnotit, který typ imunitní reakce bude pro tělo optimální. Vyvazují se z tkáňové lokalizace a migrují cíleně vlivem gradientů chemoatraktivních látek, především chemokinů, do sekundárních lymfatických orgánů a tkání. Při migraci se plně diferencují a zpracovávají internalizované vzory PAMP/DAMP do podoby antigenních peptidů. Ty v optimálním kontextu membránových interakcí a také cytokinového mikroprostředí prezentují navázané na molekuly HLA II. třídy pomocným T lymfocytům. Stimulují tak T lymfocyty specifické pro daný antigenní podnět, např. virový peptid. T lymfocyty specifické pro daný antigen klonálně expandují a dále se funkčně polarizují. Funkční polarizace T lymfocytů přesně reflektuje momentální potřeby člověka a vykazuje výraznou kvalitativní a kvantitativní dynamiku. Pravděpodobně ještě před rozvojem T lymfocytární specifické obranné reakce jsou aktivovány tzv. plazmacytoidní dendritické buňky, které jsou považovány za nejvýznamnější zdroj interferonů I. třídy. Obranné mechanismy, zprostředkované interferony I. nebo III. třídy, považujeme za první obrannou linii vrozené imunity, která ve většině případů dokáže kontrolovat a ukončit virovou invazi. Děje se tak vazbou interferonů I. nebo III. třídy na odpovídající receptory dosud neinfikovaných buněk. Vazba interferonů spouští nitrobuněčné procesy, které velmi zjednodušeně zajistí štěpení cizorodé nukleové kyseliny (virové). Brání také translaci virových polyproteinů na ribozomech hostitelské buňky. Permisivní buňka, která byla vystavena působení interferonů I. nebo III. třídy, se stává buňkou nepermisivní, ve které se virus již nemůže replikovat. Je zřejmé, že v poměrně krátké době jsou vlivem interferonů I. a III. třídy proměněny buňky permisivní v nepermisivní a replikace viru je postupně ukončena. Interferony III. třídy (interferony lambda – IFNλ) navíc posilují bariérové funkce epitelových rozhraní.
Eliminace virem infikovaných buněk je zprostředkována cytotoxickými mechanismy. Na nich se podílejí především různé subsety tzv. ILC buněk vrozené imunity (innate lymphoid cells). Nejpodrobnější informace máme o subsetu NK buněk (tzv. přirozených zabíječů, natural killers), které jsou schopny identifikovat virem infikované buňky a cytotoxicky je likvidovat. Cytotoxickou aktivitu, která je již specificky určena rozpoznáním virem infikovaných buněk, jež vystavují na svých molekulách HLA I. třídy virové peptidy, zajišťují cytotoxické CD8+ T lymfocyty. Dostatečná aktivita cytotoxických buněk ILC a cytotoxických T lymfocytů vyžaduje dostatečnou přítomnost IFNγ (II. třída) spolu s dalšími cytokiny, např. IL‑2. Interferon γ je tvořen vysoce selektivně především T lymfocyty, které byly po antigenní stimulaci (virové) funkčně polarizovány do subsetu TH1. Cytotoxická reaktivita regulovaná subsetem TH1 má obrovský obranný potenciál vykazující vysokou dynamiku. Musí však být přísně regulována, aby nedošlo k nepřiměřenému poškození vlastních buněčných struktur. Proto musejí být zapojeny na různých úrovních zpětnovazebné regulační mechanismy, které udržují intenzitu TH1 mediovaného obranného zánětu a vedou také k jeho postupnému ukončení či k jeho přesmyku do jiných forem obranného zánětu. Za hlavní regulační prvek kontrolující TH1 lymfocyty lze považovat T lymfocyty po antigenní stimulaci polarizované do subsetu TH2. T lymfocyty subsetu TH2 jednak regulují aktivitu subsetu TH1, jednak jsou nezbytné pro všechny aktivity B lymfocytů stimulovaných antigenem, které vedou k tvorbě afinitně vyzrálých protilátek tříd IgG (imunoglobulin G), IgA a IgE. TH2 lymfocyty totiž zajišťují proces tzv. izotypového přepnutí, který je nutný k tvorbě jiných tříd protilátek, které nahradí protilátky třídy IgM, produkované na začátku obranné reakce. Afinitním vyzráváním rozumíme fenomén, který zvyšuje specifitu a afinitu protilátek v pozdějších fázích protilátkové odpovědi B lymfocyty aktivovanými antigeny.
Do obranného zánětu musejí být postupně zapojeny i další složky imunity včetně vrozené imunity. Je tomu tak i v případě infekce SARS‑CoV‑2. Cílenou migraci a akumulaci neutrofilních granulocytů v tkáni zasažené infekcí SARS‑CoV‑2 regulují cytokiny, které jsou tvořeny funkčně polarizovaným subsetem TH17 a které rovněž posilují bariérové funkce epitelů. T lymfocyty subsetu TH17 mají za fyziologických podmínek zajistit obranné reakce namířené ke kontrole invaze bakteriálními či fungálními patogeny. K plné funkční polarizaci do subsetu TH17 jsou mimo jiné podněty zapotřebí cytokiny regulační osy IL‑12/IL‑23.
Velmi snadno však dochází k přesmyku obranného zánětu zprostředkovaného subsetem TH17 do zánětu poškozujícího. Tak je tomu nepochybně u nemocných, kteří v průběhu infekce SARS‑CoV‑2 progredují do nejtěžších forem onemocnění COVID‑19. U těchto nemocných dochází k výrazné akumulaci neutrofilních granulocytů, které se lokálně aktivují a svými působky přispívají k poškození tkání, především plicní tkáně. Buňky vrozené imunity a další buněčné struktury se u těchto nemocných vymykají kontrole a tvoří ve zvýšené míře celé spektrum prozánětlivých cytokinů, které přispívají k lokálnímu i systémovému poškozujícímu zánětu. Jmenovat můžeme tumor nekrotizující faktor alfa (TNFα), řadu interleukinů (IL) – IL‑1β, IL‑6, IL‑12, IL‑17, IL‑18, faktor stimulující kolonie granulocytů a makrofágů (GM‑CSF), faktor stimulující kolonie granulocytů (G‑CSF) a celé spektrum chemokinů. Dochází také k abnormální polarizaci makrofágů, T lymfocytů. Je ovlivněna populace B lymfocytů. Mnoho těchto parametrů již bylo prověřeno a některé z nich mohou sloužit jako biomarkery naznačující intenzitu poškozujícího zánětu indukovaného SARS‑CoV‑2. K poškození vlastních struktur výrazným způsobem přispívá – vedle těchto prozánětlivých cytokinů – infekce endotelových výstelek cévních kapilár, opět především v plicní tkáni. Výsledkem je vaskulitida a protrombotické nastavení cévního endotelu charakterizované tvorbou mikrotrombů. Vede současně ke zvýšení cévní propustnosti, která je dále zesílena i cestou kalikrein‑kininového systému. Je doloženo, že angiotenzin konvertující enzym má širokou substrátovou specifitu. Jedním z cílů ACE2 je i kalikrein, který je za fyziologických podmínek prostřednictvím ACE2 rozkládán. Tím je regulována tvorba vazoaktivních peptidů, kininů. SARS‑CoV‑2 vazbou zprostředkovanou glykoproteiny S aktivitu enzymu ACE2 inhibuje. Výsledkem je zvýšená aktivita kalikrein‑kininového systému, která přispívá ke zvýšené cévní permeabilitě, tkáňovému otoku a k dalším klinickým konsekvencím, které jsou typicky nalézány u lidí v pokročilé fázi nemoci COVID‑19.4
ÚHELNÉ KAMENY KLINICKÉHO ROZHODOVÁNÍ
Byla ověřena výpovědní hodnota stovek parametrů imunitního systému pro klinické rozhodování. Za robustní prediktor závažného průběhu infekce SARS‑CoV‑2 lze považovat leukopenii, a především lymfopenii v periferní krvi se současně zvýšeným podílem neutrofilních granulocytů. V porovnání s jinými virovými infekcemi jsou u pokročilých forem nemoci COVID‑19 nalézány výrazně vyšší sérové hodnoty C‑reaktivního proteinu (CRP). To zřejmě reflektuje poškození vlastních struktur a tvorbu DAMP. Vysoká koncentrace D‑dimerů odráží protrombotické aktivity vyvolané samotnou infekcí i rozvíjejícím se poškozujícím zánětem. To odpovídá již výše komentovaným představám o imunopatogenezi infekce SARS‑CoV‑2. Zatím nemáme dostatek informací pro to, abychom mohli predikovat v počátečních stadiích infekce SARS‑CoV‑2, jaký bude klinický průběh u konkrétní infikované osoby. Probíhají rozsáhlé studie sledující stovky nejrůznějších biomarkerů na úrovni genomu, proteomu i dalších „omics“, jež by snad v budoucnu za pomoci bioinformatiky mohly provést takovouto stratifikaci a vytipovat osoby ohrožené zvýšeným rizikem těžkého průběhu infekce SARS‑CoV‑2. Zatím musíme vycházet z klinických zkušeností, které už jsou naštěstí rozsáhlé a poměrně přesně určují skupiny nemocných s rizikem přesmyku zánětu obranného do zánětu poškozujícího.
Uzavíráme, že infekce SARS‑CoV‑2 vede ke komplexní obranné reakci, která zahrnuje všechny kompartmenty našeho těla. Z nich je v současné době zdůrazňován systém interferonů I. a III. třídy. Podle současných údajů je zřejmé, že v populaci se nachází daleko větší počet osob, které mají poruchu v signálních drahách zprostředkovaných interferony I. nebo III. třídy, než bylo dosud předpokládáno. Tito nemocní nejsou schopni zabránit replikaci SARS‑CoV‑2 na této časné linii obrany. Část z nich je předurčena k rozvoji poškozujícího zánětu, protože následné kroky obranné reakce ztrácejí své homeostatické kontrolní prvky. Zatím poměrně krátká doba (cca 10–12 měsíců), která umožňuje sledovat dlouhodobou přítomnost některých biomarkerů imunitního systému u nemocných infikovaných SARS‑CoV‑2, limituje naše možnosti různé laboratorní nálezy interpretovat. Tradičně jsou stanovovány specifické protilátky, jež reagují s různými strukturami SARS‑CoV‑2. Nejčastěji je to stanovení protilátek reagujících s glykoproteinem S, případně s jeho „aktivovanými“ antigenními determinantami. Bylo provedeno mnoho takových studií, ale interpretace a kritické zhodnocení výsledků těchto studií jsou prakticky nemožné. Liší se totiž metodickým přístupem použitým ke stanovení specifických protilátek. Liší se také zásadně kohortami sledovaných osob. Samotná přítomnost specifických protilátek ještě nevypovídá o protektivní obraně, která má chránit před případnou reinfekcí. Stanovení neutralizačních protilátek, které by bylo v tomto případě vhodné, je metodicky i organizačně mimořádně obtížné, protože je tento proces realizovatelný pouze v laboratořích fungujících v režimu BSL‑3 umožňujícím pracovat s nejzávažnějšími patogenními mikroorganismy. Proto jsou data v tomto ohledu zatím nedostatečná. Existují práce zaměřující se na sledování specifické buňkami zprostředkované imunity. Byly vytipovány imunodominantní části především S glykoproteinu, které jsou rozpoznávány cytotoxickými T lymfocyty. Specifická buněčná odpověď na antigeny SARS‑CoV‑2 je sledována tzv. IGRA (interferon gamma release assays) testy. Ty spočívají v tom, že lymfocyty periferní krve jsou in vitro stimulovány antigenními peptidy odvozenými od imunodominantních epitopů SARS‑CoV‑2. T lymfocyty specifické pro tyto antigenní peptidy produkují po inkubaci IFNγ, který je detekován imunochemickými postupy. Podobně byly identifikovány i imunodominantní části S glykoproteinu, které vedou k preferenční protilátkové aktivitě. Poměrně silně se současná znalost opírá o informace, jež máme z předchozích infekcí koronaviry s vysokou patogenitou, tj. původci SARS‑1 a MERS (Middle East Respiratory Syndrome). Víceméně odhadem je komunikováno, že prodělaná infekce zajistí přinejmenším krátkodobou ochranu před reinfekcí, předpokládáme spíše měsíce než jednotky roků. Otázkou zůstává rychlá genetická proměnlivost viru SARS‑CoV‑2, která se týká bohužel především genu odpovědného za glykoprotein S. Nemáme zatím dostatečné informace o tom, zda nové varianty viru, jež jsou postupně prokazovány, budou kontrolovány imunitní odpovědí indukovanou expozicí původním kmenům SARS‑CoV‑2.
V prakticky medicínsky orientovaném výzkumu bylo zatím velmi málo zkoumáno, jakým způsobem ovlivňuje vnímavost vůči SARS‑CoV‑2 a případný přirozený průběh infekce SARS‑CoV‑2 předchozí expozice jiným koronavirům. Připomínáme, že koronaviry s nižší patogenitou jsou původci podstatné části virových respiračních onemocnění, jež lidská populace prodělává v zimním období. Tyto infekce jsou běžné především v dětském věku. Na první pohled by mohlo být odhadováno, že zde bude existovat pozitivní zkřížená reaktivita mezi běžnými koronaviry a koronaviry s vyšší patogenitou. S velkou pravděpodobností však tomu takto není. Expozice běžným koronavirům prokazatelně vede k tvorbě specifických protilátek, které zkříženě reagují s S proteiny SARS‑CoV‑2. Nejsou však neutralizační. Naopak, zesilují schopnost SARS‑CoV‑2 vstoupit do lidských buněk a replikovat se v nich. Tento fenomén je označován jako ADE (antibody dependent enhancement). Podobné negativní dopady předchozí expozice jiným koronavirům lze dokumentovat i v rámci specifické T lymfocytární imunity. Alespoň zčásti bychom tím mohli vysvětlit významně horší klinický průběh infekcí SARS‑CoV‑2 u lidí vyššího seniorského věku, kteří mají za sebou dlouhodobou historii expozice různým virovým podnětům, včetně koronavirů.5
AKTIVNÍ IMUNIZACE PROTI INFEKCI SARS‑COV‑2
Aktivní imunizace, očkování, představuje bezesporu jeden z hlavních civilizačních výdobytků. Aktivní imunizací se podařilo výrazným způsobem omezit šíření nejzávažnějších virových a bakteriálních patogenů v lidské populaci. Aktivní imunizací provedenou celopopulačně lze dokonce eliminovat některé patogenní viry z lidské populace. To se podařilo koncem 70. let v případě virového onemocnění pravých neštovic. Podle plánu WHO měl být aktivní imunizací v roce 2014 eradikován virový původce dětské obrny. Příčiny, proč k tomu nedošlo, tkvějí v oblasti společensko‑politické, nikoliv medicínské. I další virové infekce je možné aktivní imunizací dostat pod kontrolu, či je dokonce eradikovat. Infekce SARS‑CoV‑2 představuje nyní bezprecedentní výzvu pro všechny, kteří se aktivní imunizací zabývají. Světová pandemická charakteristika šíření infekce SARS‑CoV‑2, která není zatím významněji ovlivnitelná protiepidemickými opatřeními, vyžaduje rychlý vývoj vakcín, jež by měly v optimálním případě zabránit přenosu infekce na imunizovaného člověka. I v případě, že by tohoto primárního cíle nebylo dosaženo a očkování by chránilo pouze před rozvojem nejzávažnějších forem onemocnění způsobeného SARS‑CoV‑2, bylo by v současnosti možné považovat takovýto úspěch za mimořádný.6
V nebývale krátké době méně než jednoho roku byly přesměrovány globální výzkumné i výrobní kapacity právě na konstrukci vakcín chránících před SARS‑CoV‑2. V současné době již bylo zhruba 200 vakcín formulováno a konstruováno. Mnohé z nich postoupily do stadia klinického zkoušení se slibnými výsledky. Několik vakcín je v současné době již schváleno k plošnému použití. Rychlý vývoj několika set vakcín, které se významně odlišují svou základní charakteristikou, je pro mnohé, i medicínsky vzdělané odborníky, překvapivý. Je třeba konstatovat, že z odborného pohledu je jasné, že v uplynulých zhruba 10–20 letech došlo k bezprecedentnímu pokroku v oblasti vakcinologie. Ten se týká jednak hloubky poznání interakcí mezi patogenními agens a člověkem, jednak je spojen s neuvěřitelným technologickým pokrokem vycházejícím z poznatků molekulární biologie a biotechnologií. Lidská populace byla v uplynulém období vystavena několika potenciálně závažným infekčním agens, vůči kterým byly vyvíjeny vakcíny. Relevantní k SARS‑CoV‑2 jsou infekce koronavirem SARS‑1, který se v lidské populaci začal šířit v roce 2002. Z epidemiologických charakteristik bylo zřejmé, že má velký potenciál šíření, a proto byly rychle zahájeny práce na vývoji vakcíny proti tomuto koronaviru. Jejich vývoj byl ukončen, protože šíření tohoto koronaviru s vysokou patogenitou spontánně skončilo. Dosavadní údaje získané v rámci klinických zkoušení a nyní také v rámci plošného očkování již velkého počtu lidí naznačují, že schválené vakcíny jsou bezpečné. To je třeba zdůrazňovat veřejnosti, která je v tomto ohledu vystavena mnoha lživým informacím. Vakcíny jsou schvalovány pro masové použití na základě vědecky ověřené vakcinační odpovědi, kterou aplikované vakcíny v imunizovaných lidech vzbuzují. Pochopitelně s ohledem na teprve několik měsíců prováděné klinické experimenty se nelze zatím jednoznačně vyjadřovat k časové dynamice protekce proti infekci SARS‑CoV‑2. Nejsou zatím k dispozici údaje, které se standardně požadují pro zavedení nových vakcín, kdy jsou proti sobě porovnávány soubory několika desítek tisíc probandů aktivně imunizovaných a srovnatelný soubor probandů, kteří imunizovaní nejsou.
Pro některé používané vakcíny je relevantním cílem úplně ochránit očkované jedince před možností infekce daným patogenem. To u mnohých infekcí z principu není možné. Stejně tomu bude zřejmě i v případě infekce SARS‑CoV‑2. Bylo by jistě možné považovat za úspěch, pokud by aktivní imunizace SARS‑CoV‑2 snižovala významně riziko přenosu, i když by ho neeliminovala stoprocentně. Úspěchem aktivní imunizace proti SARS‑CoV‑2 by bylo i to, že imunizovaní lidé by byli chráněni před rozvojem těžších forem nemoci vyvolané infekcí SARS‑CoV‑2. Odpovědi na tyto otázky přinese až delší časový odstup a vyhodnocení výsledků očkování ve velkých kohortách imunizovaných lidí. Plánované tempo aktivní imunizace dává naději, že v průběhu několika měsíců budou imunizovány stovky milionů lidí. Lze tedy čekat odpovědi na tyto otázky. Informace o probíhajících klinických studiích vakcín proti SARS‑CoV‑2 jsou uvedeny na stránkách WHO https://www.who.int/publications/ m/item/draft‑landscape‑of‑covid‑19‑candidate‑vaccines. Věřme, že toto úsilí bude zakončeno hmatatelným pozitivním výsledkem a že aktivní imunizace vrátí lidstvo zpět do doby před vstupem koronavirů SARS‑CoV‑2 do lidské populace. Asi nelze čekat, že by infekce SARS‑CoV‑2 byla vakcinačním úsilím eradikovatelná s ohledem na imunobiologické zvláštnosti koronavirových infekcí.7
Dále se pokusíme o výčet typů vakcín, které jsou vyvíjeny s cílem ochrany před infekcí SARS‑CoV‑2. Členění provedeme na základě jejich imunobiologických charakteristik. Osvědčeným typem vakcíny, který chrání před virovými patogeny, jsou usmrcená virová agens. Inaktivované vakcíny proti SARS‑CoV jsou vyvíjeny a některé z nich jsou již klinicky ověřeny. Inaktivovaná virová vakcína je ze svého principu vakcínou bezpečnou, protože virus se nemůže v imunizovaném jedinci replikovat. Inaktivovaná virová vakcína poskytuje velmi komplexní podnět pro imunitní systém. Imunitní odpověď indukovaná inaktivovanými celotělovými virovými vakcínami by měla být rovněž komplexní a zahrnovat jak specifickou humorální, tak buněčnou imunitu.
Dalším typem vakcín, které jsou používány k ochraně proti virovým patogenům, jsou živé atenuované virové vakcíny. Tento koncept je prověřen desetiletími masového používání. Připomínáme, že takto je prováděna populační imunizace proti virům zarděnek, příušnic a spalniček. Ještě donedávna byla plošně využívána také živá vakcína chránící proti viru poliomyelitidy, postavená na Sabinově kmeni aplikovaném perorálně. Není tedy sporu o tom, že živé atenuované virové vakcíny jsou mimořádně účinné. Ve stadiu klinických zkoušek s nadějnými výsledky se nalézá několik atenuovaných živých vakcín SARS‑CoV‑2. Tento typ vakcín lze spolu s inaktivovanými vakcínami považovat za klasické vakcíny. Jejich sériová výroba není tak náročná, jako tomu je u modernějších vakcín. Lze očekávat, že inaktivovavé i atenuované vakcíny proti SARS‑CoV‑2 budou masově využívány pro očkování lidí v rozvojových zemích. Plošné očkování již probíhá s použitím vakcín vyráběných např. v Číně nebo Indii.
S cílem ochrany před infekcí SARS‑CoV‑2 jsou konstruovány a testovány až na úrovni klinických zkoušení tzv. podjednotkové vakcíny. Koncept podjednotkových vakcín je moderní, je však úspěšně používán řadu let v klinické praxi. Velmi zjednodušeně spočívá v identifikaci imunogenních složek virových patogenů, které jsou klíčové pro imunopatogenezi dané virové infekce. V případě SARS‑CoV‑2 se jedná o proteiny S, kterými virus vchází do interakcí s receptory ACE2 na lidských buňkách. Proteiny S, případně jejich aktivované formy, jsou vyráběny rekombinantní technologií. Podjednotková vakcína není sama o sobě dostatečně imunogenní a musí být aplikována s adjuvans. Až donedávna veškeré klinicky využívané vakcíny vyžadující přítomnost adjuvans byly konstruovány za použití hydroxidu hlinitého – Al(OH)3. Je využíván i pro subjednotkové vakcíny, které mají chránit před infekcí SARS‑CoV‑2. Podjednotkové vakcíny mohou být vkládány také do nanočástic nebo mohou být stabilizovány i jinými postupy. Dosavadní výsledky klinických studií některých podjednotkových vakcín jsou velmi nadějné.8
Pro klinické použití jsou schváleny vakcíny, které označujeme jako virové vektorové vakcíny využívající jako vektor především adenoviry. Adenoviry jsou rozsáhlou skupinou virů běžně kolujících v lidské populaci. Některé z nich jsou považovány i za patogenní. Jedná se o DNA viry, jejichž interakce s buňkami člověka jsou popsány velmi podrobně. Do genové informace vybraných adenovirových vektorů je vložena genová informace kódující S protein nebo části viru SARS‑CoV‑2. Adenovirový vektor slouží jako efektivní nástroj, který umožní vstup vybraných částí genomu SARS‑CoV‑2 do hostitelských buněk. Zde dochází k jejich přepisu do mRNA a k překladu do virových proteinů na lidských ribozomech. Ty jsou následně optimálně posttranslačně modifikovány a konformačně upraveny tak, že velmi napodobují tvorbu virových proteinů, ke které dochází při přirozené infekci SARS‑CoV‑2. Adenovirové vektorové vakcíny lze považovat za bezpečné, protože vektor je upraven tak, aby se nemohl integrovat do genomu lidských buněk. Na lidských adenovirech je postavena ruská vakcína Sputnik V, kde jsou využity lidské adenoviry Ad26 a Ad5. Koncepčně stejnou je již schválená vakcína Oxford AstraZeneca, která však využívá jako vektor opičí adenovirus s cílem snížit pravděpodobnost existující imunitní odpovědi proti vektoru. Vektorové vakcíny mají schopnost indukovat poměrně silnou buňkami zprostředkovanou imunitu. To může být jejich velkou výhodou. Podle nejnovějších údajů je organizována klinická studie, ve které by jako první byla aplikována vektorová vakcína Oxford a revakcinace by byla prováděna ruskou vakcínou Sputnik nebo opačně. Lze očekávat, že při kombinaci těchto vektorových vakcín může být protektivní imunita mohutnější a může dojít k vybudování solidnější imunitní paměti. Je pravděpodobné, že virové vektorové vakcíny se stanou podstatnou součástí portfolia ke kontrole infekce SARS‑CoV‑2. Důvodem je jejich zvládnutá výroba, a především nenáročná logistika.9
Paradoxně prvními vakcínami proti SARS‑CoV‑2, které byly schváleny pro plošné použití s cílem ochránit před infekcí SARS‑CoV‑2, jsou vakcíny založené na virové mRNA. Tato vakcinační platforma je přitom v porovnání s jinými vakcínami nejméně ověřena. Vakcíny založené na virové mRNA jsou neinfekční a v tomto ohledu jsou tedy bezpečné. Zatím všechny ověřované vakcíny mRNA jsou postaveny na mRNA kódující glykoprotein S. Na rozdíl od DNA je mRNA mimořádně fragilní a rychle podléhá degradaci. Z tohoto důvodu je virová mRNA vkládána do lipozomů, které můžeme charakterizovat jako nanočástice. Je dále stabilizována dalšími chemikáliemi. Obalení v lipozomech má usnadnit vstup vakcín mRNA do lidských buněk. Zde dochází k jejich překladu na ribozomech a k tvorbě virových antigenů. Je prokázána dobrá humorální odpověď namířená proti glykoproteinu S viru SARS‑CoV‑2 při použití těchto mRNA vakcín. mRNA vakcíny jsou relativně snadno konstruovatelné a jejich výroba je rovněž efektivní. Velkou nevýhodou je nestabilita mRNA vakcín. Mimo jiné musejí být skladovány při teplotách kolem –70 °C. To mimořádně komplikuje logistiku plošného očkování proti SARS‑CoV‑2. V současné době jsou pro plošné použití schváleny vakcíny mRNA společností Pfizer a Moderna.10
Rukopis byl podpořen projektem Progres Q40/10 LF UK v Hradci Králové.
ADDENUM
Recentně byly v prestižním časopise Lancet publikovány výsledky rozsáhlé klinické studie, ve které byla prokázána bezpečnost a vysoká účinnost ruské vakcíny Sputnik V.
Ruská vektorová vakcína Sputnik V je postavena na adenovirových vektorech. S cílem překonat možnou přirozenou reaktivitu proti adenovirům je pro první dávku vakcíny použit lidský adenovirus Ad26. Druhá dávka, podaná po 21 dnech, využívá adenovirus Ad5. Publikovaná studie prokázala, že vakcína Sputnik V má vyšší účinnost než obdobná vektorová vakcína Oxford – AstraZeneca. K agentuře EMA, která schvaluje použití léčiv v Evropské unii, byla doručena žádost o registraci vakcíny Sputnik V. Její registrace by mohla znamenat významné rozšíření možností aktivní imunizace proti SARS‑CoV‑2 a zvýšit kvantitativní dostupnost očkovacích látek v EU.
Logunov DY, Dolzhikova IV, Shcheblyakov DV, et al. Safety and efficacy of an rAd26 and rAd5 vector‑based heterologous prime‑boost COVID‑19 vaccine: an interim analysis of a randomised controlled phase 3 trial in Russia. Lancet 2021 February2. https://doi.org/10.1016/ S0140‑6736(21)00234‑8.
LITERATURA
1. Krejsek J. Imunopatogeneze infekce koronavirem SARS‑CoV‑2. Remedia 2020;30:448–452.
2. Jeyanathan M, Afkhami S, Smaill F, et al. Immunological considerations for COVID‑19 vaccine strategies. Nat Rev Immunol 2020;20:615–632.
3. Krejsek J, Andrýs C, Krčmová I. Imunologie člověka. Hradec Králové; Garamon: 2016.
4. Kaur SP, Gupta V. COVID‑19 vaccine: a comprehensive status report. Virus Research 2020;288:198114. https://doi. org/10.1016/j.virusres.2020.198114.
5. Palatnik‑de‑Sousa CB. What would Jenner and Pasteur have done about COVID19 coronavirus? The urges of a vaccinologist. Front Immunol 2020;11:2173.doi: 10.3389/fimmu.2020.02173.
6. Krammer F. SARS‑CoV‑2 vaccines in development. Nature 2020;586:516–526.
7. Flanagan KL, Best E, Crawford NW, et al. Progress and Pitfalls in the Quest for effective SARS‑CoV‑2 (COVID‑19) vaccines. Front Immunol 2020;11(579250). doi: 10.3389.fimmu. 2020.579250.
8. Frederiksen LSF, Zhang Y, Foged C, et al. The long road toward COVID‑19 herd immunity: vaccine platform technologies and mass immunization strategies. Front Immunol 2020;11:1817. doi: 10.3389/fimmu.2020.01817.
9. Shelly A, Gupta P, Ahuja R, et al. Impact of microbiota: a paradigm for evolving herd immunity against viral diseases. Viruses 2020; 12: 1150. doi:10.3390/v12101150.
10. Shah VK, Firmal P, Alam F, et al. Overview of immune response during SARS‑CoV‑2 infection: lessons from the past. Front Immunol 2020;11:1949. doi: 10.3389/fimmu.2020.01949.
Zdroj: MPP