Klaus Eyer z ETH Zurich opisuje migawki o wysokiej rozdzielczości repertuarów przeciwciał jako potencjalne korelaty ochrony

Indukcja i długoterminowa obecność kluczowych nabytych komórek odpornościowych są niezbędne dla ochrony za pośrednictwem szczepionki. Jako bezpośredni, przyczynowy środek ochrony często stanowi wyzwanie; znalezienie i zdefiniowanie korelatów ochrony ma kluczowe znaczenie dla opracowywania, zatwierdzania i testowania skuteczności szczepionek. Korelaty ochrony to wymierne oznaki ochrony przed zakażeniem i/lub rozwojem choroby, która może być przyczyną samej ochrony.

Przeciwciała w surowicy często ocenia się jako potencjalne korelaty, ponieważ immunizacje często prowadzą do wytworzenia specyficznego dla szczepionki, funkcjonalnie aktywnego i zróżnicowanego repertuaru przeciwciał. W najprostszej formie potencjalnym korelatem może być ich obecność, jeśli wystarczające jest wiązanie przez przeciwciało. Ocenia się to na podstawie tak zwanych pomiarów miana. Tutaj próbkę surowicy rozcieńcza się sekwencyjnie i ocenia się wiązanie przeciwciał ze szczepionką i porównuje z wartością progową często wyznaczaną empirycznie. Ten złoty standard środka ma wiele zalet: jest szybki, niezawodny i łatwy do porównania.

Jednakże samo wiązanie jest często niewystarczające, a miano miana często nie jest dobrym korelatem ochrony za pośrednictwem przeciwciał. Rzeczywiście, wiązanie często inicjuje skomplikowaną kaskadę drugorzędowych funkcji przeciwciał, takich jak neutralizacja, cytotoksyczność zależna od przeciwciał, aktywacja dopełniacza lub fagocytoza. Są to silne skutki uboczne, które mogą być wywołane przez pewne przeciwciała wiążące.

Dlatego często oznacza się specyficzne funkcjonalności, takie jak miano neutralizacji wirusa lub aktywację dopełniacza. Jest to ważne, ponieważ nie każde specyficzne przeciwciało może indukować wszystkie funkcje, a niektóre funkcje mogą być również korzystne dla określonych patogenów, prowadząc do wzmocnienia zależnego od przeciwciał. Dlatego indukowane funkcjonalności muszą być starannie zrównoważone i często należy mierzyć określone funkcjonalności.

Repertuary przeciwciał: dlaczego pomiary surowicy nie zawsze zapewniają niezbędną ochronę?

Pomiary surowicy nie zawsze zapewniają dobre korelaty ochrony, nawet w przypadku szczepionek, w przypadku których ochrona ma przynajmniej częściowo zależeć od przeciwciał. Może to mieć kilka przyczyn, a tutaj wymieniono tylko niektóre z nich.

Po pierwsze, testy mogą nie testować odpowiedzialnej funkcji odpornościowej lub ochrona może wynikać z połączenia funkcji.

Po drugie, testy te nie rozszyfrowują rozległej heterogeniczności przeciwciał. Zasadniczo w danym momencie we krwi obecne są tysiące różnych przeciwciał, a tylko kilkadziesiąt do setek zwiąże się z antygenami obecnymi w szczepionce. Nawet w tej grupie tylko niewielka część będzie funkcjonalnie aktywna.

Po trzecie, szybkie zmiany i dynamika aktywnej odpowiedzi immunologicznej podczas wytwarzania, selekcji, dojrzewania i różnicowania komórek wydzielających przeciwciała są tracone w dużych objętościach dystrybucji in vivo i okresach półtrwania, co prowadzi do maskowania krytycznych etapów pośrednich i immunologiczne punkty decyzji. W związku z tym maskowane są szybkie procesy i zmiany, a miano stanowi zintegrowany pomiar niedawnej, a czasem odległej historii przebytych infekcji i szczepień.

Istnieją jednak alternatywne podejścia do tego problemu. Każde przeciwciało obecne w surowicy jest wytwarzane przez wyspecjalizowaną komórkę i, co ciekawe, każda komórka będzie wydzielać tylko pojedyncze przeciwciało w danym czasie. Dlatego zamiast mierzyć średnią funkcjonalną w surowicy, analiza oparta na pojedynczych komórkach zapewni przegląd funkcjonalny wszystkich przeciwciał indywidualnie, rozkładając złożoną odpowiedź na jej składniki. Analiza ta nie jest jednak standardową, gotową analizą.

Pomiar jakości i funkcjonalności przeciwciał

Dlatego w 2019 r. badacze biorący udział w projekcie FuncMab rozpoczęli opracowywanie technologii mikroprzepływowych i specyficznych testów, które umożliwiają indywidualną charakterystykę funkcjonalną każdego wydzielanego przeciwciała. Opracowane systemy mierzą obecność i funkcjonalność przeciwciał na poziomie komórkowym i wykorzystują technikę mikroprzepływową do tworzenia małych pojemników, każdy zawierający jedną komórkę i test zastępczy pod kątem interesującej funkcjonalności.

Wydzielone przeciwciało gromadzi się w kropelce, a test zastępczy określa funkcjonalność wydzielanego przeciwciała, począwszy od prostego wiązania, przez aktywację dopełniacza, aż po neutralizację. Zasadniczo podejście to generuje migawkę o wysokiej rozdzielczości indukowanego repertuaru przeciwciał i rozszyfrowuje ilość, jakość i funkcjonalność każdego przeciwciała.

W ciągu ostatnich kilku lat członkowie zespołu FuncMAb opracowali i zwalidowali różne testy do pomiaru i określenia funkcji przeciwciał po immunizacji, mając na celu dostarczenie dodatkowego wglądu w te bardzo złożone reakcje, przede wszystkim w badaniach immunizacji myszy. W badaniach tych systematycznie zmienia się różne składniki szczepionek i ocenia się ich wpływ na ilość, jakość i funkcjonalność repertuaru.

W tym przypadku analiza wydzielania białek z rozdzielczością pojedynczych komórek może zapewnić dodatkowy wgląd analityczny i kinetyczny w wysoce dynamiczną i złożoną odpowiedź immunologiczną. Przykładowo, przeciwciała aktywujące układ dopełniacza odgrywają kluczową rolę w odpowiedzi immunologicznej przeciwko bakteriom chorobotwórczym i mogą być stosowane jako potencjalny korelat ochrony. Dr Nathan Aymerich, badacz zaangażowany w projekt FuncMAb, opracował test biologiczny do ilościowego określenia aktywacji dopełniacza na poziomie pojedynczego przeciwciała i zastosował ten test do scharakteryzowania repertuarów środków przeciwbakteryjnych, skupiając się na patogennych bakteriach P. aeruginosa, B. pertussis i N. meningitidis .

Pozwoliło nam to uzyskać nowy wgląd w zdolność przeciwciał monoklonalnych do indukowania aktywacji dopełniacza, a zróżnicowanie immunizacji pozwoliło nam zbadać wpływ składu szczepionek bakteryjnych na częstotliwość i skuteczność tego procesu. Ustalenia te są obecnie poddawane przeglądowi i stanowią ilustrujący przykład wniosków wygenerowanych w ramach tego projektu.

Wczesne etapy eksperymentów

Jest jednak mało prawdopodobne, aby odkrycia FuncMAb zostały natychmiast przełożone na zastosowania kliniczne, ponieważ badania te są wciąż na wczesnym etapie, a eksperymenty przeprowadzono na modelach mysich. Opracowane testy mogą stanowić interesujące uzupełnienie, a nie zamiennik, pomiarów surowicy, ponieważ w podejściu jednokomórkowym nie ma kilku kluczowych elementów, takich jak wiązanie oparte na współpracy lub konkurencja.

Co ciekawe, regularnie obserwujemy brak korelacji między naszymi migawkami immunologicznymi a przeprowadzonym pomiarem miana. Jest to w pewnym stopniu oczekiwane i ilustruje możliwość poszukiwania korelatów ochrony w repertuarach wysoce rozdzielonych przeciwciał, nawet jeśli miano ich nie wykazuje.

Jednakże testy te mają szerokie zastosowanie, a zespół zaczął je stosować w różnych badaniach weryfikujących koncepcję wykraczających poza początkowy zakres, badając repertuary przeciwciał u pacjentów z chorobami autoimmunologicznymi, badania kliniczne dotyczące leczenia przeciwalergicznego oraz badania podstawowe rzadkich genetycznych zaburzeń odporności. Opracowane testy cieszą się dodatkowym zainteresowaniem w badaniach przesiewowych przeciwciał funkcjonalnych, potencjalnie prowadząc do opracowania nowych kandydatów terapeutycznych pozwalających przezwyciężyć infekcje oporne na środki przeciwbakteryjne w przykładzie wspomnianym powyżej.

Co więcej, obrazy repertuaru przeciwciał o wysokiej rozdzielczości umożliwiły nam wygenerowanie modeli do modelowania in silico. Spowodowały także znaczną redukcję liczby zwierząt potrzebnych w projekcie. Koncepcje te doprowadziły również do powstania start-upu Sabre Bio, którego celem jest opracowanie instrumentów umożliwiających innym badaczom, klinicystom i firmom wykonywanie tych działań.

Zrozumienie ochrony poszczepiennej i jej braku

Wreszcie większa precyzja w ocenie poszczególnych repertuarów przeciwciał może również potencjalnie prowadzić do nowego spojrzenia na przyczyny braku ochrony poszczepiennej i bezpieczeństwa szczepionek, zwłaszcza w połączeniu z analizą innych krytycznych funkcji odpornościowych.

Informacje o autorze

Laboratorium Funkcjonalnej Analizy Repertuaru Immunologicznego, Instytut Nauk Farmaceutycznych, Wydział Chemii i Nauk Biologicznych Stosowanych, ETH Zürich, 8093 Zürich. *Korespondencja: klaus.eyer@pharma.ethz.ch od 1 lutego eyerk@biomed.au.dk