Ontwikkeling van ziekteverwekkers tijdens vaccinatieprogramma's

Ontwikkeling van ziekteverwekkers tijdens vaccinatieprogramma's

Een recente publicatie in PLOS-biologie vatte het huidige begrip van de evolutie van pathogenen samen.

Studie: Pathogenentwicklung während Impfkampagnen. Bildquelle: nobeastsofierce/Shutterstock

Pathogeenaanpassing vindt plaats wanneer nieuwe varianten een grotere geschiktheid verwerven dan hun voorgangers in de huidige omgeving. Gastheerimmuniteit, hetzij door vaccinatie of infectie, zou de bestaande habitat voor ziekteverwekkers kunnen vormen. De snelheid waarmee nieuwe varianten van het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) zijn ontstaan ​​en de omvang van de wereldwijde vaccinatie-inspanningen tegen SARS-CoV-2 hebben vragen doen rijzen over de impact van vaccinatie op de virusevolutie.

De temporele evolutionaire dynamiek van nieuwe pathogenen kan twee fasen omvatten. In de eerste fase zijn de gastheren immuun-naïef en bevordert selectie de aanpassing aan deze gastheren. In de tweede fase verwerft de gastpopulatie geleidelijk een immunologisch geheugen door infectie of vaccinatie, en treden er selectieverschuivingen op die aanpassing aan deze immunologisch geprepareerde gastheren bevorderen. In de huidige studie onderzochten onderzoekers hoe ziekteverwekkers evolueren in nieuwe gastheren wanneer de gastheren immunologisch voorbereid zijn.

Aanpassing van pathogenen en mechanismen

De aanpassing van ziekteverwekkers aan immuunnaïeve en immuungeprimeerde gastheren hangt af van de opkomst van nieuwe varianten en hun geschiktheid in verschillende gastheren. Fitness kan worden berekend met behulp van absolute en relatieve groeicijfers. De absolute groeisnelheid van infecties helpt bepalen of een variant zich onder de bevolking kan verspreiden. Daarentegen geeft de relatieve groeisnelheid aan of de variant in frequentie zou kunnen toenemen en de momenteel dominante variant, namelijk het wildtype, zou kunnen verdringen.

Wil een variant zich onder de bevolking verspreiden, dan moet het absolute groeipercentage positief zijn. De selectiecoëfficiënt (verschil tussen de groeisnelheid van variant en wildtype) moet positief zijn wil een variant de relatieve frequentie ervan verhogen. Varianten zouden zich tussen gastheren kunnen verspreiden door onder meer immuunontduiking, onderdrukking, uitbuiting en aanpassingen aan de levensgeschiedenis.

Kenmerken zoals verhoogde affiniteit voor gastheerreceptoren, veranderde latentie, grote burst-groottes en veranderingen in weefseltropisme ondersteunen deze mechanismen. In gevallen waarin de dood van de gastheer of ziekenhuisopname de overdracht van de ziekteverwekker beperkt, kan immuniteit geïnduceerd door infectie of vaccinatie de overdracht versterken door de ernst van de ziekte te verminderen. Deze ideeën leiden tot het classificeren van aan immuniteit aangepaste varianten op twee manieren.

Ten eerste is een aan immuniteit aangepaste variant een generalist wanneer deze wordt aangepast aan naïeve gastpopulaties. Een immuunaangepaste variant is daarentegen een specialist als deze slecht is aangepast aan naïeve gastheren. Een andere manier om te categoriseren is om te beoordelen of de absolute groeisnelheid wordt vergemakkelijkt of geremd door immunologische priming. De absolute groeisnelheid van een door immuniteit ondersteunde variant neemt toe met een toenemend aantal geprimede gastheren, terwijl deze afneemt voor door immuniteit geremde varianten.

Immuniteit vermindert de mate van replicatie van pathogenen op twee manieren. De immuunrespons minimaliseert de hoeveelheid pathogenen en verhelpt de infectie snel bij geprimeerde gastheren. Het hoge aandeel voorbereide gastheren in een populatie vermindert de frequentie van geïnfecteerde gastheren. Effectieve vaccins en de snelle introductie ervan beperken de opkomst van nieuwe varianten; De aanpassing aan ziekteverwekkers zou echter kunnen toenemen als gevolg van lekkende vaccins die infectie niet volledig voorkomen en als gevolg van chronische infecties bij immuungecompromitteerde gastheren.

Opmerkelijk genoeg zijn veel vaccins niet beïnvloed door aanpassing aan pathogenen. Er wordt gespeculeerd dat het gebrek aan aanpassing te wijten is aan twee kenmerken die verband houden met vaccinatie. Ten eerste kan vaccinatie, omdat vaccinatie profylactisch is, het aantal ziekteverwekkers in gevaccineerde gastheren beperken en de opkomst/overdracht van nieuwe varianten beperken. Ten tweede veroorzaken vaccins over het algemeen immuunreacties tegen meerdere doelwitten van de ziekteverwekker, waardoor het voor de ziekteverwekker moeilijk wordt om de immuunreacties te ontwijken.

Implicaties voor SARS-CoV-2

Experimentele evolutie is de directe manier om te bestuderen hoe vaccins de aanpassing aan ziekteverwekkers beïnvloeden. Slechts één onderzoek heeft deze aanpak gebruikt, terwijl de meeste andere observationele onderzoeken zijn en zich richten op pathogenen met een langdurige associatie met gastheren. Steeds meer bewijs suggereert een snelle adaptieve evolutie van SARS-CoV-2. Epidemiologische gegevens geven aan dat de meeste aan immuniteit aangepaste SARS-CoV-2-varianten immuniteitsgeremde generalisten zijn.

De frequentie van de Delta-variant nam toe in landen met hoge en lage vaccinatiegraad, wat erop wijst dat het om een ​​generalistische variant gaat. Ook de nieuwere Omicron-variant lijkt immuun-geremd te zijn, al moet nog duidelijk worden of de Omicron-(sub-)varianten specialisten of generalisten zijn. Tot nu toe zijn er geen door immuniteit gemedieerde SARS-CoV-2-varianten opgedoken, en het is mogelijk dat dergelijke varianten nooit zullen ontstaan, afhankelijk van de beschikbare genetische variatie.

Niettemin zijn gespecialiseerde varianten waarschijnlijk, aangezien SARS-CoV-2 verdere aanpassingen ondergaat als reactie op immunologische priming. Bovendien kunnen in de toekomst vaccins van de volgende generatie of aangepaste vaccinatieschema’s nodig zijn om de ontwikkeling van SARS-CoV-2 tegen te gaan. Er zijn verschillende vaccins tegen SARS-CoV-2 gebruikt en de vaccinatieschema’s worden voortdurend aangepast.

Als deze diversiteit leidt tot immunologische heterogeniteit in de populatie, zou natuurlijke selectie de voorkeur geven aan verschillende varianten op verschillende tijdstippen/locaties of het mogelijk maken dat meerdere varianten naast elkaar bestaan. Het is daarom van cruciaal belang om vaccinatieprogramma’s te optimaliseren om infecties voortdurend in te dammen. Hoe meer een vaccin de overdracht kan onderdrukken, verschillende epitopen kan targeten en infectie en replicatie binnen de gastheer effectief kan remmen, hoe beter het zou zijn om de aanpassingssnelheid van de ziekteverwekker te verminderen.

Slotopmerkingen

In de vroege stadia van pandemieën kan een toenemende frequentie van generalistische varianten worden verwacht. Later omvat de evolutie van pathogenen aanpassingen aan door het immuunsysteem gestimuleerde gastheren en een afname van de aanpassing aan naïeve gastheren. Immuniteit zou zowel generalisten als specialisten kunnen belemmeren, waarbij de groeisnelheid afneemt naarmate het aandeel geprimede gastheren toeneemt.

De SARS-CoV-2-varianten zijn tot nu toe immuungeremd en velen van hen zijn generalisten wier frequentie zou zijn toegenomen, ongeacht de vaccinatie-inspanningen. Op een gegeven moment zou verdere aanpassing kunnen plaatsvinden door de proliferatie van specialisten, hoewel de vraag of ze immuniteitsremmend of immuniteitsbevorderend worden, afhangt van virale mutaties.

Referentie:

• Day T, Kennedy DA, Read AF, Gandon S. (2022). Pathogenentwicklung während Impfkampagnen. PLoS-Biologie. doi: 10.1371/journal.pbio.3001804 https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001804