Rozwój patogenów podczas programów szczepień

Rozwój patogenów podczas programów szczepień

Niedawna publikacja w Biologia PLOS podsumował obecne rozumienie ewolucji patogenów.

Studie: Pathogenentwicklung während Impfkampagnen. Bildquelle: nobeastsofierce/Shutterstock

Adaptacja patogenu ma miejsce, gdy nowe warianty uzyskują większą sprawność niż ich poprzednicy w obecnym środowisku. Odporność żywiciela, czy to poprzez szczepienie, czy infekcję, może ukształtować istniejące siedlisko patogenów. Szybkość, z jaką pojawiły się nowe warianty wirusa 2 ciężkiego ostrego zespołu oddechowego (SARS-CoV-2) oraz skala światowych wysiłków w zakresie szczepień przeciwko SARS-CoV-2 wzbudziły pytania dotyczące wpływu szczepień na ewolucję wirusa.

Czasowa dynamika ewolucyjna nowych patogenów może obejmować dwie fazy. W pierwszej fazie żywiciele są naiwni pod względem odporności, a selekcja sprzyja adaptacji do tych żywicieli. W drugiej fazie populacja żywicieli stopniowo nabywa pamięć immunologiczną poprzez infekcję lub szczepienie i zachodzą zmiany selekcyjne, które sprzyjają adaptacji do żywicieli przygotowanych immunologicznie. W niniejszym badaniu naukowcy sprawdzili, w jaki sposób patogeny ewoluują u nowych żywicieli, gdy żywiciele są przygotowani immunologicznie.

Adaptacja patogenów i mechanizmy

Adaptacja patogenów do żywicieli z naiwnością immunologiczną i żywicielami z odpornością zależy od pojawienia się nowych wariantów i ich przystosowania u różnych żywicieli. Sprawność fizyczną można obliczyć, stosując bezwzględne i względne stopy wzrostu. Bezwzględne tempo wzrostu infekcji pomaga określić, czy wariant może rozprzestrzenić się w populacji. Natomiast względna stopa wzrostu wskazuje, czy wariant może zwiększyć częstotliwość i wyprzeć obecnie dominujący wariant, a mianowicie typ dziki.

Aby wariant rozprzestrzenił się w populacji, bezwzględna stopa wzrostu musi być dodatnia. Współczynnik selekcji (różnica między tempem wzrostu wariantu i typu dzikiego) musi być dodatni, aby wariant zwiększył swoją względną częstotliwość. Warianty mogą rozprzestrzeniać się między żywicielami, między innymi poprzez unikanie odporności, tłumienie, wykorzystywanie i adaptację historii życia.

Cechy takie jak zwiększone powinowactwo do receptorów gospodarza, zmienione opóźnienie, duże rozmiary impulsów i zmiany w tropizmie tkankowym leżą u podstaw tych mechanizmów. W przypadkach, gdy śmierć żywiciela lub hospitalizacja ograniczają przenoszenie patogenu, odporność wywołana infekcją lub szczepieniem może zwiększyć przenoszenie poprzez zmniejszenie ciężkości choroby. Pomysły te prowadzą do klasyfikacji wariantów dostosowanych do odporności na dwa sposoby.

Po pierwsze, wariant dostosowany do odporności jest generalistą, gdy jest dostosowany do populacji naiwnych gospodarzy. Natomiast wariant przystosowany immunologicznie jest specjalistą, jeśli jest słabo przystosowany do naiwnych żywicieli. Innym sposobem kategoryzowania jest ocena, czy bezwzględna szybkość wzrostu jest ułatwiana, czy hamowana przez immunologiczną stymulację. Bezwzględna szybkość wzrostu wariantu o wzmocnionej odporności wzrasta wraz ze wzrostem odsetka żywicieli poddanych szczepieniu pierwotnemu, podczas gdy maleje w przypadku wariantów o osłabionej odporności.

Odporność zmniejsza zakres replikacji patogenu na dwa sposoby. Odpowiedź immunologiczna minimalizuje obciążenie patogenami i szybko usuwa infekcję u zaszczepionych żywicieli. Wysoki odsetek przygotowanych żywicieli w populacji zmniejsza częstotliwość zakażania żywicieli. Skuteczne szczepionki i ich szybkie wprowadzenie ograniczają pojawianie się nowych wariantów; Jednakże adaptacja do patogenów może wzrosnąć z powodu nieszczelnych szczepionek, które nie zapobiegają całkowicie infekcjom, oraz z powodu przewlekłych infekcji u żywicieli z obniżoną odpornością.

Co ciekawe, adaptacja patogenu nie miała wpływu na wiele szczepionek. Spekulowano, że brak adaptacji wynika z dwóch cech związanych ze szczepieniem. Po pierwsze, ponieważ szczepienie ma charakter profilaktyczny, może ograniczyć liczbę patogenów u zaszczepionych żywicieli i ograniczyć pojawianie się/przenoszenie nowych wariantów. Po drugie, szczepionki na ogół wywołują odpowiedź immunologiczną skierowaną przeciwko wielu celom patogenu, co utrudnia patogenowi uniknięcie odpowiedzi immunologicznej.

Implikacje dla SARS-CoV-2

Ewolucja eksperymentalna to bezpośredni sposób badania wpływu szczepionek na adaptację do patogenów. Tylko w jednym badaniu zastosowano to podejście, podczas gdy większość innych to badania obserwacyjne i skupiają się na patogenach powiązanych długoterminowo z żywicielami. Coraz więcej dowodów sugeruje szybką ewolucję adaptacyjną SARS-CoV-2. Dane epidemiologiczne wskazują, że większość wariantów SARS-CoV-2 przystosowanych do odporności to odmiany ogólne z obniżoną odpornością.

Częstotliwość wariantu Delta wzrosła w krajach o wysokim i niskim wskaźniku wyszczepialności, co sugeruje, że jest to wariant ogólny. Nowszy wariant Omicron również wydaje się mieć zahamowaną odporność, chociaż nadal wymaga wyjaśnienia, czy (pod)warianty Omicron są specjalistami czy generalistami. Jak dotąd nie pojawiły się żadne warianty SARS-CoV-2 zależne od odporności i możliwe jest, że takie warianty nigdy się nie pojawią, w zależności od dostępnej zmienności genetycznej.

Niemniej jednak prawdopodobne są wyspecjalizowane warianty, ponieważ SARS-CoV-2 podlega dalszej adaptacji w odpowiedzi na czynniki immunologiczne. Ponadto w przyszłości mogą być wymagane szczepionki nowej generacji lub zmodyfikowane harmonogramy szczepień, aby zapobiec rozwojowi SARS-CoV-2. Zastosowano kilka szczepionek przeciwko SARS-CoV-2, a harmonogramy szczepień są stale dostosowywane.

Jeśli ta różnorodność prowadzi do niejednorodności immunologicznej w populacji, dobór naturalny faworyzuje różne warianty w różnych momentach/miejscach lub pozwala na współistnienie wielu wariantów. Dlatego kluczowa jest optymalizacja programów szczepień, aby stale ograniczać infekcje. Im bardziej szczepionka może hamować przenoszenie, atakować różne epitopy i skutecznie hamować infekcję i replikację u gospodarza, tym lepiej byłoby zmniejszyć stopień adaptacji patogenu.

Uwagi końcowe

We wczesnych stadiach pandemii można spodziewać się rosnącej częstotliwości wariantów ogólnych. Później ewolucja patogenu obejmuje adaptacje do żywicieli wzmocnionych odpornością i zmniejszenie adaptacji do żywicieli naiwnych. Odporność może hamować zarówno generalistów, jak i specjalistów, przy czym tempo wzrostu maleje wraz ze wzrostem odsetka pierwotnych żywicieli.

Warianty SARS-CoV-2 uległy jak dotąd zahamowaniu odporności i wiele z nich to odmiany ogólne, których częstotliwość wzrosłaby niezależnie od wysiłków w zakresie szczepień. W pewnym momencie może nastąpić dalsza adaptacja poprzez mnożenie się specjalistów, chociaż to, czy zaczną oni hamować odporność, czy ją wspomagać, będzie zależeć od mutacji wirusa.

Odniesienie:

• 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