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科普 | 感染性疾病中抗体依赖性增强(ADE)的机制和疫苗设计启发

病毒感染 抗体依赖性
抗体依赖性增强(Antibody-dependent enhancement,ADE)是在感染性疾病中宿主抗体导致感染严重性增加的现象。ADE主要在病毒感染中被考虑,但在细菌、真菌和寄生虫感染中的作用却被低估了。ADE可能在初次感染和同一病原体或相关病原体的再感染期间发生;因此,理解ADE的潜在机制对于理解许多传染病的发病机制和疫苗研究至关重要。

一、增加病原体负荷的疾病增强作用

ADE最为公认的机制是抗体依赖性增加病原体负荷(Antibody-dependent increase in pathogen load,ADIPL),即针对病原体的抗体增强了病原体在宿主细胞中的摄取和复制,最终导致病原体负荷增加。以登革病毒感染为例,抗体可以增加受病毒感染的细胞总数或每个细胞释放的新病毒颗粒数。

抗体导致病毒量增加

ADIPL包含三个主要原理。一是ADIPL只在特定的抗体浓度窗口内发生。这导致抗体-病原体化学计量比率,与单独的病原体相比,促进了病原体的增加摄取或复制。二是非中和性的病原体结合抗体(例如,针对相关菌株或病原体的交叉反应性抗体)能够促进或增强病原体进入表达FcγR的细胞,主要是单核细胞和巨噬细胞,增加了感染的机会。三是感染细胞数量的增加或每个细胞释放的病原体数量的增加累积导致更高的病原体负荷,从而增加了疾病的严重程度。

抗体依赖性增加病原体负荷(ADIPL)的分子机制

增强病原体负荷的抗体主要靶向病原体表面暴露的抗原,例如登革病毒的前体膜(prM)和包膜(Env)蛋白。Env蛋白负责病毒的附着和融合过程,而prM蛋白则防止新病毒颗粒在合成过程中过早融合。尽管成熟的病毒颗粒因有效的prM蛋白切割而具有融合能力,但这一成熟过程并不总是完全高效,导致病毒颗粒在成熟度上存在差异。

特定非中和性抗体,尤其是那些针对Env或prM蛋白的,能够在表达FcγR的细胞中增加登革病毒的复制,这与病毒在没有抗体存在时的感染相比,可能会导致更高的病毒载量。

抗体的Fc区域同样在ADE中起着关键作用。例如,缺乏糖基化的IgG1亚类对FcγRIIIa具有更高的亲和力,这与登革病毒感染严重程度的增加有关。在FcγR人源化小鼠模型中,针对登革病毒的非糖基化抗体能够促进病毒在脾脏巨噬细胞中的摄取,导致感染细胞数量的增加和病毒滴度的升高,进而加剧了炎症反应和疾病严重性。

在正常的抗体依赖性吞噬过程中,这些抗体会激活FcγRIIIa,触发脾脏酪氨酸激酶(SYK)信号传导,促进吞噬细胞吞噬病毒。然而,在ADE的情况下,登革病毒需要在吞噬体中停留足够时间以允许Env蛋白发生构象变化并促进病毒与细胞膜融合,但又不能过长以至于被降解。登革病毒通过与白细胞免疫球蛋白样受体B1(LILRB1)结合,减缓了SYK介导的溶酶体酸化速度,为病毒逃逸到细胞质中提供了机会。

抗体增加登革热病毒进入表达FcγR的细胞的分子机制

此外,一些研究提出,抗体介导的FcγR信号可能抑制了抗病毒干扰素信号,从而有利于病毒复制,尽管这一机制在其他研究中存在争议。

二、抗体依赖性血清抵抗的疾病增强作用

抗体依赖性血清抵抗(Antibody-dependent serum resistance,ADSR)是一种在某些细菌感染中观察到的免疫逃避机制,其中病原体利用宿主产生的抗体来抵抗血清中的杀菌作用。这一过程涉及补体系统的抑制,补体系统本应通过形成膜攻击复合体(MAC)迅速杀死易感细菌。ADSR的存在对于多种病原体的存活和传播至关重要,包括铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和淋病奈瑟菌(Neisseria gonorrhoeae)等。

补体介导的杀菌作用

ADSR的作用基于三个核心原理:一,高滴度的抗体能够与特定细菌抗原结合,即便在补体级联激活的情况下也能抑制血清的杀菌作用;二,这些抗体通过占据补体识别位点或干扰补体成分的沉积,阻止其他保护性抗体发挥杀菌效果;三,当这些抑制性抗体或其对应的抗原靶点被清除时,血清的杀菌能力得以恢复。

抗体依赖性血清抵抗(ADSR)的分子机制

ADSR介导的抗体有各种抗原靶点,但它们的统一作用机制尚未完全阐明。然而,空间干扰似乎是迄今为止最合理的机制,也叫"Cloaking"抗体。到目前为止描述的大多数情况下,负责ADSR的抗体特别针对多糖抗原,如胶囊、O抗原阳性的脂多糖(LPS)或脂寡糖。在这种情况下,高滴度的抗体结合到这些抗原的远端区域,相当于形成一个物理屏障,阻碍了MAC接触到细菌。这些cloaking抗体(cAbs)仍然促进MAC的形成,尽管这可能不是必需的,因为研究发现去除抗体的Fc部分并没有阻止血清杀伤的抑制。"Cloaking"抗体的亲和力对于抑制表型也至关重要,低亲和力的抗体不能抑制补体依赖性杀伤,而高亲和力的抗体即使在较低的滴度下也能抑制补体依赖性杀伤。

发生人ADSR的cloaking抗体主要是IgG2或IgA亚类。这很可能是由于抗原靶点的多糖性质,这倾向于诱导这些亚类。目前尚不清楚这些亚类的结构属性是否也对抑制表型至关重要。IgG2和IgA通常被认为是较差的补体激活剂。然而,这似乎对于抑制表型并不必要,因为多项研究发现在含有cAbs的患者血清中,细菌表面有大量的MAC沉积。最近的一项研究发现,N. gonorrhoeae的ADSR取决于患者血清中细菌结合IgG2与IgG3的比率,表明更高比例的保护性IgG3可能能够克服ADSR;然而,这项研究的解释被混杂了,因为研究中没有确定抗原靶点。

ADSR分子机制

针对特定蛋白的抗体也可能导致ADSR,其中靶蛋白包括Lip/H.8、Laz、菌毛和Rmp。针对Rmp的抗体可以在小鼠模型中增加N. gonorrhoeae的细菌负荷,并且具有Rmp抗体的个体更容易淋球菌感染。这种ADSR的机制与cAbs不同,并且根据抗原靶点的不同而有所不同。针对Lip/H.8或Laz脂蛋白上的保守五肽重复基序的IgG抗体通过阻止C4在N. meningitidis表面的沉积来抑制血清杀伤。这种抑制是Fc和糖基化依赖性的,因为F(ab')2片段或去糖基化的IgG不能抑制血清杀伤。

相比之下,尽管针对Rmp的抑制性抗体可以促进补体激活,但它们将补体转移到"非杀菌位点",可能干扰MAC的插入。这一提议的机制因为抑制是Fc独立的而变得复杂,F(ab')2片段能够阻止抗体依赖性杀伤。其次,一个体内小鼠模型证明了针对Rmp的抗体抵消了一种保护性单克隆抗体介导的C3沉积。因此,与"Cloaking"抗体相比,针对特定抗原的ADSR机制是更多样的。

三、抗体依赖性炎症增强(ADEI)

抗体依赖性炎症增强 (Antibody-dependent enhancement of inflammation,ADEI) 是一种抗体效应功能,增强病理性炎症来增加感染疾病严重程度长期以来,它是否有助于感染期间的病理学或保护一直存在争议。在COVID-19大流行中,人们发现,ADEI 可以增加病毒感染期间的疾病病理学。ADEI 有四项原则。一是针对特定病原体的抗体会增强病理性炎症,而不一定会增加病原体负荷。二是 ADEI 可能发生在原发性和继发性感染期间。三是抗体可以与完整的传染性病原体(整个病毒粒子或细菌)、自由循环的病原体衍生抗原(例如 SARS-CoV-2 刺突蛋白)或细胞结合抗原形成促炎免疫复合物。四是 ADEI 需要 FcγR 和炎症模式识别受体 (PRR) 发生串联才能触发炎症反应。

抗体依赖性炎症增强(ADEI)分子机制

尽管去糖基化IgG 对 FcγRIIIa 的亲和力升高,FcγRIIIa 以激活NK细胞中抗体依赖性细胞毒性的 FcR 而闻名,但NK细胞的抗体依赖性细胞毒性与从严重 COVID-19 中恢复有关,而不是死亡率增加。相比之下,与 FcγRIIa 或 FcγRIIIa 结合的去糖基化抗刺突蛋白的IgG 免疫复合物可能会增强单核细胞和巨噬细胞中促炎细胞因子(如 IL-6、TNF 和 IL-1β)的释放,从而引发细胞因子释放综合征。糖基化抗体可能通过三种潜在机制增强 SARS-CoV-2 与表达 FcγR 的髓系细胞的相互作用:通过与受感染细胞表面表达的 SARS-CoV-2 刺突结合;通过与含有 SARS-CoV-2 刺突蛋白的可溶性或调理素化免疫复合物结合;或通过增强病毒进入胞质溶胶。最近的一份报告表明,针对 SARS-CoV-2 核衣壳蛋白的抗体也可以促进巨噬细胞细胞因子的释放。然而,这些抗核衣壳抗体对疾病严重程度的贡献仍然未知。

抗体依赖性增强(ADE)现象涉及多种细胞表面受体的复杂相互作用,其中模式识别受体(PRR)与Fcγ受体(FcR)之间的串扰在调节炎症反应中起着关键作用。在这一过程中,单纯的抗体结合到FcγR并不足以引发细胞因子的释放。实际上,炎症细胞因子的释放是PRR激活下游事件的结果,PRR能够识别包括脂多糖(LPS)和病毒RNA在内的保守微生物结构,以及错位的宿主蛋白等损伤信号。PRR在细胞表面的、内体或胞质中的战略性分布,使细胞能够有效评估并响应微生物威胁。

PRR激活可以触发新的细胞因子基因表达或转录后加工,导致细胞因子的释放和炎症性细胞死亡。抗体通过FcγR的信号传导可能通过三种主要方式增强这一过程。首先,FcγR可以作为“共发生检测”受体,仅在抗体和微生物刺激或细胞因子同时在同一细胞位置存在时才引发反应。例如,IgG调理颗粒和干扰素γ(IFNγ)的共同给药,与单独使用任一物质相比,会在巨噬细胞中引起不同的转录反应。

其次,固定化的IgG复合物能够增强巨噬细胞的炎症细胞因子反应,即使微生物刺激如病毒RNA是单独给药的。这表明FcγR和PRR的信号通路可以汇聚,从而增强炎症细胞因子的释放。这种汇聚作用可能导致非保护性的细胞因子反应偏向,如在利什曼原虫感染期间,抗体增强了巨噬细胞IL-10的释放,同时降低了保护性IL-12的水平,加剧了利什曼病的严重程度。

第三,抗体可能促进病原体通过FcγR被运送到含有胞内PRR的细胞中,如TLR3、TLR7和TLR8,或者通过细胞内抗体受体TRIM21,帮助病原体的遗传物质暴露于胞质中的PRR,如cGAS。抗体增强的病原体靶向至溶酶体还可以触发溶酶体破裂,导致炎性小体激活、IL-1β释放和焦亡。在SARS-CoV-2感染的单核细胞中,观察到抗体依赖性摄取后,亚基因组病毒RNA和胞质双链RNA的存在,这类似于登革热ADE的现象,其中抗体促进了SARS-CoV-2进入原本不允许进入的单核细胞。然而,胞质SARS-CoV-2的遗传物质触发了炎性小体激活,导致单核细胞焦亡和消除了复制生态位。其他胞质RNA传感器,如RIG-I或MDA5,也可能识别复制中的SARS-CoV-2基因组,触发骨髓细胞释放细胞因子,如IL-6、IFNβ和CXCL10。

FcγR和PRR共同作用;运送给胞内的PRR

最后,抗体可能增强补体驱动的炎症,进一步加剧传染病的严重程度,这在呼吸道合胞病毒(RSV)和甲型流感病毒(IAV)感染期间已有所观察。在COVID-19中,C5a-C5aR1轴也与炎症相关;其与ADEI的关联尚未经过正式测试。明确区分补体依赖性和补体非依赖性ADEI的具体作用,将进一步洞悉疾病发病机制。

四、抗细胞因子的自身抗体(ACAs)

针对宿主分子的自身抗体也可以在感染期间增强疾病严重程度。首先,该抗体针对的是宿主分子而不是病原体衍生的抗原。其次,自身抗体的滴度足够高,可以在感染期间增加疾病严重程度。尽管自身抗体,如与自身免疫疾病相关的抗DNA或抗磷脂酰丝氨酸自身抗体,在传染病中可能发挥作用(例如,在疟疾期间诱导红细胞溶解最终导致贫血),但在这里我们将重点关注抗细胞因子自身抗体(anti-cytokine autoantibodies,ACAs)以及它们如何促进感染。

第一个ACA是在1981年发现的,当时在一项重组IFNβ用于癌症的临床试验中发现了一名患者具有抗IFNβ抗体。从那时起,已经发现了针对粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、IL-6、IL-17、IFNβ和IFNγ的自身抗体,其临床效果类似于这些途径中的先天性免疫错误的表型。ACAs在具有自身免疫调节蛋白(AIRE)功能丧失突变的个体中普遍存在,表现为自身免疫多内分泌腺综合征1型(APS1)。因此,APS1患者特别容易受到机会性病原体感染。

抗细胞因子的自身抗体(ACAs)分子机制

自身抗体可以通过直接阻断细胞因子与其同源受体的相互作用来中和细胞因子功能;通过使细胞因子聚集成免疫复合物,使其与受体隔离开来;以及通过细胞因子-自身抗体免疫复合物的 FcR 依赖性来消耗循环细胞因子。

抗细胞因子的自身抗体作用机制
自身抗体可能在感染后由于分子模拟而产生。例如,与分枝杆菌易感性相关的IFNγ中和自身抗体与人类IFNγ中的一个特定肽序列结合,该序列与曲霉属Noc2蛋白中的一个肽序列同源,实际上,用曲霉属Noc2肽免疫大鼠可以产生IFNγ中和自身抗体。到目前为止,其他ACAs的分子特征描述较少。ACAs似乎也随着年龄的增长而增加,这可能表明重复感染和重复暴露于具有与这些细胞因子相似表位的病原体增加了发展自身抗体的机会。特定的HLA-DRB1和HLA-DQB1等位基因(它们编码人类的MHC II分子)也可能是针对IFNγ自身抗体形成的易感性基础,然而,这并不在所有ACAs中普遍存在,并且潜在的易感性增加的具体机制尚不清楚。或者,患者可能由于替代NF-κB途径中AIRE功能的降低而发展出针对I型干扰素的自身抗体。

疫苗设计的影响

疫苗设计对于预防和控制传染病具有深远的影响,其成功与否往往取决于能否激发出有效的免疫反应,同时避免不良的免疫增强作用。ADE是一个值得关注的问题,它指的是在某些情况下,疫苗接种后产生的抗体可能加剧随后的感染。这一现象在20世纪60年代的RSV和麻疹疫苗中首次被观察到,而近年来,登革热疫苗相关的ADE问题也引起了公众对疫苗安全性的担忧。

为了应对ADE的挑战,疫苗设计需要在抗原选择、结构设计、疫苗平台和佐剂等方面进行细致的考量。以登革热疫苗为例,三种主要的疫苗—Dengvaxia、TAK-003(Qdenga)和Butantan-DV—展示了不同的抗原设计和免疫反应。Dengvaxia基于黄热病病毒17D骨架,而TAK-003和Butantan-DV则采用了不同的减毒登革病毒骨架。这些疫苗的临床试验结果提示我们,接种者的血清状态对于疫苗的安全性和有效性至关重要。

结构疫苗学的应用使得我们能够在原子级别上设计疫苗抗原,以确保它们能够稳定地呈现保护性表位,并减少潜在的ADE风险。例如,针对寨卡病毒(ZIKV)的亚单位疫苗通过稳定Env蛋白二聚体的设计,避免了与登革热病毒(DENV)的交叉反应,从而减少了ADE的可能性。

疫苗平台的选择同样关键。活减毒、灭活、亚单位、类毒素、蛋白质-多糖以及核酸基等不同平台具有不同的免疫原性和佐剂需求。随着mRNA疫苗平台的广泛应用,我们对疫苗诱导的抗体糖基化反应和ADE风险的理解也在不断深化。

此外,临床试验设计必须考虑到疫苗接种后的长期安全性和有效性。WHO对登革热疫苗的指南强调了长期随访、血清学分层分析和地理区域选择的重要性。这些指南对于评估和管理与ADE相关的疫苗风险具有普遍适用性。

总之,疫苗设计是一个复杂的过程,需要综合考虑多种因素,以确保最终产品既能提供保护,又不会引起意外的免疫增强作用。随着科学的进步和对ADE机制理解的深入,我们将能够设计出更安全、更有效的疫苗,以应对全球公共卫生的挑战。
Reference
Wells TJ, Esposito T, Henderson IR, Labzin LI. Mechanisms of antibody-dependent enhancement of infectious disease. Nat Rev Immunol. 2024

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