Infection-enhancing anti-SARS-CoV-2 antibodies recognize both the original Wuhan/D614G strain and Delta variants. A potential risk for mass vaccination?
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ADE：抗体依存性免疫増強（Antibody-Dependent Enhancement）
「すごくざっくり言うとワクチンが作った抗体がむしろウィルスを強くするのではないか？」とYouTubeカナダ人ニュースで紹介された論文を機械翻訳してみました。
Journal of Infection
https://www.journalofinfection.com/article/S0163-4453(21)00392-3/fulltext
ハイライト
-症状のあるCovid-19では、感染を増強する抗体が検出されている。
– 抗体依存性増強（ADE）は、ワクチンに対する潜在的な懸念である。
– エンハンスメント抗体は武漢株とデルタ変異種の両方を認識する。
– デルタ変異体の ADE は、現在のワクチンの潜在的なリスクである。
-ADE 抗原決定基がないワクチン製剤が提案されている。
Highlights
- •Infection-enhancing antibodies have been detected in symptomatic Covid-19.
- •Antibody dependent enhancement (ADE) is a potential concern for vaccines.
- •Enhancing antibodies recognize both the Wuhan strain and delta variants.
- •ADE of delta variants is a potential risk for current vaccines.
- •Vaccine formulations lacking ADE epitope are suggested.
概要
抗体依存性の感染増強（ADE）は、ワクチン戦略における安全性の懸念事項である。最近の発表では、Liら（Cell 184 :4203-4219, 2021）が、SARS-CoV-2スパイクタンパク質のN末端ドメイン（NTD）に向けられた感染促進抗体は、in vitroではウイルスの感染を促進するが、in vivoでは促進しないことを報告している。しかし、この研究はオリジナルの武漢/D614G株を用いて行われたものである。現在、Covid-19パンデミックではデルタ変異種が主流となっているため、これらの変異体のNTDと促進抗体の相互作用を解析した。分子モデリングの手法を用いて、エンハンシング抗体は、武漢/D614GのNTDよりもデルタ変異種に対して高い親和性を持つことを示した。また、エンハンシング抗体は、NTDを脂質ラフトマイクロドメインに固定することで、スパイク三量体の宿主細胞膜への結合を強化することを示した。この安定化メカニズムは、受容体結合ドメインの脱マスキングを引き起こす構造変化を促進する可能性がある。NTDは中和抗体の標的にもなっていることから、今回のデータは、ワクチン接種を受けた人の中和抗体と促進抗体のバランスは、オリジナルの武漢/D614G株では中和に有利であることを示唆している。しかし、デルタ変異種の場合、中和抗体はスパイクタンパクに対する親和性が低下しているのに対し、促進抗体は顕著に親和性が上昇しています。したがって、オリジナルの武漢株スパイク配列に基づくワクチン（mRNAまたはウイルスベクター）を接種している人にとっては、ADEが懸念される。このような状況下では、構造的に保存されたADE関連抗原決定基を欠いたスパイクタンパク製剤を用いた第二世代ワクチンを検討すべきである。
本研究の目的は、NTDに向けられた感染増強抗体によるSARS-CoV-2 デルタ変異種の認識を評価することである。研究対象とした抗体は、症状のあるCovid-19患者から分離された1052（pdbファイル#7LAB）である。分子モデリングによるシミュレーションは、以前に説明した方法で行った。現在流通している2つのデルタ変異種を調査し、NTDにおける変異パターンは以下の通り。
- G142D/E154K (B.1.617.1)
- T19R/E156G/del157/del158/A222V (B.1.617.2)
それぞれの変異パターンをオリジナルの武漢/D614G株に導入し、エネルギー最小化に供した後、抗体結合試験を行った。参照pdbファイル#7LAB（武漢/D614G株）のNTD領域における相互作用のエネルギー（ΔG）は-229kJ/mol-1と推定された。デルタ変異種の場合、相互作用のエネルギーは-272kJ・mol-1（B.1.617.1）および-246kJ・mol-1（B.1.617.2）に引き上げられた。このように、これらの感染増強抗体は、デルタ変異種を認識するだけでなく、オリジナルのSARS-CoV-2株よりも高い親和性を示している。
図1Aに、B.1.617.1変異体の三量体スパイクの細胞方向から見たグローバル構造を示す。予想通り、NTDに結合した促進抗体（緑色）は、ウイルス-細胞間の付着を妨げないように接触面の後ろに位置している。実際、あらかじめ形成された抗体とNTDの複合体は、宿主細胞の膜に完全に結合することができる。NTDと脂質ラフトの相互作用を図1Bに、ラフト-スパイク-抗体複合体全体を図1Cに示す。興味深いことに、図1D-Eにさらに示されているように、抗体のごく一部が脂質ラフトと相互作用することがわかった。より正確には、アミノ酸残基28-31および72-74を含む抗体の重鎖の2つの異なるループが、ラフトの縁と直接相互作用することで複合体を安定化させている（図1F）。全体として、NTD-raft複合体の相互作用のエネルギーは、抗体がない場合の-399kJ.mol-1から、抗体がある場合の-457kJ.mol-1まで上昇した。抗体がNTDと脂質ラフトを挟み込むことで、スパイクタンパク質の細胞表面への付着が強化され、ウイルス感染プロセスの次のステップであるRBDの構造変化が促進されることになる。
Abstract
Antibody dependent enhancement (ADE) of infection is a safety concern for vaccine strategies. In a recent publication, Li et al. (Cell 184 :4203–4219, 2021) have reported that infection-enhancing antibodies directed against the N-terminal domain (NTD) of the SARS-CoV-2 spike protein facilitate virus infection in vitro, but not in vivo. However, this study was performed with the original Wuhan/D614G strain. Since the Covid-19 pandemic is now dominated with Delta variants, we analyzed the interaction of facilitating antibodies with the NTD of these variants. Using molecular modeling approaches, we show that enhancing antibodies have a higher affinity for Delta variants than for Wuhan/D614G NTDs. We show that enhancing antibodies reinforce the binding of the spike trimer to the host cell membrane by clamping the NTD to lipid raft microdomains. This stabilizing mechanism may facilitate the conformational change that induces the demasking of the receptor binding domain. As the NTD is also targeted by neutralizing antibodies, our data suggest that the balance between neutralizing and facilitating antibodies in vaccinated individuals is in favor of neutralization for the original Wuhan/D614G strain. However, in the case of the Delta variant, neutralizing antibodies have a decreased affinity for the spike protein, whereas facilitating antibodies display a strikingly increased affinity. Thus, ADE may be a concern for people receiving vaccines based on the original Wuhan strain spike sequence (either mRNA or viral vectors). Under these circumstances, second generation vaccines with spike protein formulations lacking structurally-conserved ADE-related epitopes should be considered.The aim of the present study was to evaluate the recognition of SARS-CoV-2 Delta variants by infection enhancing antibodies directed against the NTD. The antibody studied is 1052 (pdb file #7LAB) which has been isolated from a symptomatic Covid-19 patient1. Molecular modeling simulations were performed as previously described2. Two currently circulating Delta variants were investigated, with the following mutational patterns in the NTD :
- – G142D/E154K (B.1.617.1)
- – T19R/E156G/del157/del158/A222V (B.1.617.2)
Each mutational pattern was introduced in the original Wuhan/D614G strain, submitted to energy minimization, and then tested for antibody binding. The energy of interaction (ΔG) of the reference pdb file #7LAB (Wuhan/D614G strain) in the NTD region was estimated to −229 kJ/mol−1. In the case of Delta variants, the energy of interaction was raised to −272 kJ.mol−1 (B.1.617.1) and −246 kJ.mol−1 (B.1.617.2). Thus, these infection enhancing antibodies not only still recognize Delta variants but even display a higher affinity for those variants than for the original SARS-CoV-2 strain.The global structure of the trimeric spike of the B.1.617.1 variant in the cell-facing view is shown in Fig. 1A. As expected, the facilitating antibody bound to the NTD (in green) is located behind the contact surface so that it does not interfere with virus-cell attachment. Indeed, a preformed antibody-NTD complex could perfectly bind to the host cell membrane. The interaction between the NTD and a lipid raft is shown in Fig. 1B, and a whole raft-spike-antibody complex in Fig. 1C. Interestingly, a small part of the antibody was found to interact with the lipid raft, as further illustrated in Figs. 1D-E. More precisely, two distinct loops of the heavy chain of the antibody encompassing amino acid residues 28–31 and 72–74, stabilize the complex through a direct interaction with the edge of the raft (Fig. 1F). Overall, the energy of interaction of the NTD-raft complex was raised from −399 kJ.mol−1 in absence of the antibody to −457 kJ.mol−1 with the antibody. By clamping the NTD and the lipid raft, the antibody reinforces the attachment of the spike protein to the cell surface and thus facilitates the conformational change of the RBD which is the next step of the virus infection process2.
このように、感染促進抗体がNTD-raftを二重に認識するという考え方は、他のウイルスにも有効な新しいタイプのADEであると考えられる。ちなみに、我々のデータは、抗NTD抗体によって誘発されるFcR非依存的な感染促進のメカニズムを説明するものである1。SARS-CoV-2のADEに初めて脂質ラフトが関係しているという我々のモデルは、デングウイルス感染のADEに無傷の脂質ラフトが必要であるという過去のデータと一致している。
NTDに対する中和抗体も、Covid-19の患者から検出されている。4A8抗体は、このような抗体の代表的なものである。この抗体が認識する平坦なNTD表面上の抗原決定基は、デルタ変異種のNTDでは劇的に変化しており、デルタ変異種にさらされたワクチン接種者では活性が大きく失われていることが示唆されている。より一般的には、中和抗体と促進抗体のバランスは、ウイルス株によって大きく異なることが想定される（図2）。
This notion of a dual NTD-raft recognition by an infection enhancing antibody may represent a new type of ADE that could be operative with other viruses. Incidentally, our data provide a mechanistic explanation of the FcR-independent enhancement of infection induced by anti-NTD antibodies1. The model we propose, which links for the first time lipid rafts to ADE of SARS-CoV-2, is in line with previous data showing that intact lipid rafts are required for ADE of dengue virus infection3.Neutralizing antibodies directed against the NTD have also been detected in Covid-19 patients4, 5. The 4A8 antibody is a major representant of such antibodies5. The epitope recognized by this antibody on the flat NTD surface is dramatically affected in the NTD of Delta variants2, suggesting a significant loss of activity in vaccinated people exposed to Delta variants. More generally, it can be reasonably assumed that the balance between neutralizing and facilitating antibodies may greatly differ according to the virus strain (Fig. 2).
現在のCovid-19ワクチン（mRNAまたはウイルスベクター）は、オリジナルの武漢スパイク配列に基づいている。中和抗体が促進抗体を圧倒する限り、ADEは懸念されない。しかし、SARS-CoV-2の亜種が出現したことで、感染が促進される可能性がある。我々の構造的およびモデル化されたデータによると、デルタ型の亜種では実際にそうなる可能性がある。
結論として、オリジナルの武漢株スパイク配列に基づいたワクチン（mRNAまたはウイルスベクター）を接種した人が、デルタ変異種にさらされた場合、ADEが発生する可能性がある。この潜在的なリスクは、Covid-19ワクチンが大量に使用される前から巧妙に予想されていたが、SARS-CoV-2抗体が生体内での感染増強を媒介する能力は正式には証明されていない。しかし、これまでに得られた結果はむしろ安心できるものであったが、我々の知る限り、デルタ変異種のADEは特に評価されていなかった。我々のデータによると、デルタ変異種はNTDを標的とした感染増強抗体によって特によく認識されるため、現在のデルタ変異種のパンデミックの際に大量のワクチンを接種する際の潜在的なリスクとなる可能性があるため、ADEの可能性についてさらに調査する必要がある。この観点から、構造的に保存されたADE関連抗原決定基を欠いたスパイクタンパク製剤を用いた第二世代ワクチンを検討すべきである。
Current Covid-19 vaccines (either mRNA or viral vectors) are based on the original Wuhan spike sequence. Inasmuch as neutralizing antibodies overwhelm facilitating antibodies, ADE is not a concern. However, the emergence of SARS-CoV-2 variants may tip the scales in favor of infection enhancement. Our structural and modeling data suggest that it might be indeed the case for Delta variants.In conclusion, ADE may occur in people receiving vaccines based on the original Wuhan strain spike sequence (either mRNA or viral vectors) and then exposed to a Delta variant. Although this potential risk has been cleverly anticipated before the massive use of Covid-19 vaccines6, the ability of SARS-CoV-2 antibodies to mediate infection enhancement in vivo has never been formally demonstrated. However, although the results obtained so far have been rather reassuring1, to the best of our knowledge ADE of Delta variants has not been specifically assessed. Since our data indicate that Delta variants are especially well recognized by infection enhancing antibodies targeting the NTD, the possibility of ADE should be further investigated as it may represent a potential risk for mass vaccination during the current Delta variant pandemic. In this respect, second generation vaccines7 with spike protein formulations lacking structurally-conserved ADE-related epitopes should be considered.
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