Ultrapotente IgM-Antikörper, die von einer schwangeren Frau mit Zika-Virus isoliert wurden, sind als Immuntherapie vielversprechend
Die Infektion mit dem Zika-Virus (ZIKV) ist eine potenziell teratogene Krankheit, die dazu führt, dass bis zu einem von sieben Säuglingen, die von infizierten Müttern geboren werden, neurologische Entwicklungsdefizite erleiden. Eine neue Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle zeigt, dass einige Mütter einer Verletzung ihrer Babys entgehen, weil sie einen hochwirksamen neutralisierenden Antikörper entwickeln. Dies zeigt die Bedeutung solcher Antikörper beim Schutz des Fötus vor dem Zika-Virus und stellt gleichzeitig einen möglicherweise nützlichen Antikörper zur Verhinderung einer fötalen Infektion dar.
Einführung
ZIKV trat in Amerika auf und erwies sich bald als vertikal übertragbar, was dazu führte, dass eine signifikante Minderheit der betroffenen Säuglinge mit Mikrozephalie und anderen angeborenen Anomalien geboren wurde. Inzwischen gab es sogar bei normal aussehenden Säuglingen nach einer mütterlichen ZIKV-Infektion während der Schwangerschaft einige Jahre zuvor eine signifikante Rate an neurologischen Entwicklungsstörungen.
Interessanterweise verursacht ZIKV normalerweise keine Krankheiten bei Erwachsenen; es ist hauptsächlich für teratogene Folgen während der Schwangerschaft verantwortlich. Beispielsweise gab es in Brasilien 11.000 Fälle von Mikrozephalie, die von einem einzigen Ausbruch in den Jahren 2015-16 herrührten. Daher ist während der Schwangerschaft eine schützende Immunität erforderlich, an der neutralisierende Antikörper (nAbs) beteiligt sind.
Frühere Studien berichteten hauptsächlich über nAbs der Klasse der Immunglobuline G (IgG), obwohl IgM-Antikörper eine überraschend lange Rolle bei Flavivirus-Infektionen wie Gelbfieber-Virus- und West-Nil-Virus-Infektionen spielen. Dem liegt das herkömmliche Konzept zugrunde, dass während der akuten Infektionsphase vorübergehend IgM-Antikörper gebildet werden, die aus niedrigaffinen Antikörpern ohne neutralisierende Kapazität bestehen. Dies täuscht jedoch über die früh neutralisierenden IgM-Antikörper bei solchen Infektionen hinweg.
IgM-Antikörper sind pentamer und binden an fünfmal so viele Epitope wie IgG-Antikörper. Dabei werden die dicht gepackten sich wiederholenden Strukturen dieser Viren ausgenutzt, wodurch B-Zell-Rezeptoren von den IgM-Antikörpern in multivalenten Verhältnissen gebunden werden können. Dies wiederum begünstigt die B-Zell-Stimulation und die klonale Selektion von Antikörpern.
Das Ergebnis sind spezifische IgM-Antikörper gegen ZIKV nach mehreren Jahren, im Gegensatz zur fünftägigen Halbwertszeit von IgM im Normalfall. Dies weist auf die Selektion von B-Zellen hin, die ZIKV-spezifisches IgM exprimieren, gefolgt von einer Expansion während einer solchen Infektion.
„Obwohl die neutralisierende Aktivität hauptsächlich IgG-Isotyp-Antikörpern zugeschrieben wird, spielt IgM möglicherweise eine unterschätzte Rolle bei der ZIKV-Immunität … insbesondere in der Schwangerschaft.“
B-Zellen werden zuerst zur Freisetzung von Interleukin (IL-10) stimuliert, dann wird ihre Produktion unterdrückt, wodurch reife B-Zellen überleben können, aber die Zahl der naiven B-Zellen während der Schwangerschaft reduziert wird. Da letztere IgM-Antikörper produzieren, prägt diese Verschiebung zu Gedächtnis- und Antikörper-sezernierenden Zellen das Profil von IgG- und IgM-nAk während der Schwangerschaft.
Die aktuelle Studie, die in Cell veröffentlicht werden soll, untersuchte die neutralisierende Wirkung von IgM-Antikörpern bei schwangeren Frauen. Die Kohorte umfasste zehn Frauen, acht mit akuter und die anderen mit sekundärer ZIKV-Infektion, dh nach vorheriger Exposition gegenüber dem Dengue-Virus (DENV).
Was hat die Studie gezeigt?
Die Ergebnisse zeigen, dass alle infizierten Frauen während der gesamten Schwangerschaft ab dem Zeitpunkt der Infektion hohe Konzentrationen an Anti-ZIKV-Antikörpern aufwiesen. Anti-ZIKV-IgM wurde bei allen Probanden gefunden, wobei ein Proband nach 406 Tagen persistierendes IgM zeigte
Die Forscher fanden auch heraus, dass ZIKV teilweise durch IgM-Antikörper neutralisiert wird, wobei der höchste Prozentsatz mit ~80 % bei einem Probanden gefunden wurde, der auch die längste Persistenz von ZIKV-neutralisierendem IgM 100 Tage nach Beginn der Symptome zeigte. Daher ist die Neutralisierung von IgM im ersten Schwangerschaftstrimester mit primärer oder sekundärer ZIKV-Infektion am wichtigsten.
Vier der sieben Frauen mit späten IgM-Antikörpern zeigten jedoch bis zu 210 Tage nach Symptombeginn eine neutralisierende Kapazität, wobei es sich bei allen um sekundäre Fälle handelte. Interessanterweise bestand der Großteil des ZIKV-reaktiven IgM nicht aus ZIKV-neutralisierendem IgM.
Die Forscher untersuchten B-Zell-Repertoires aus den Blutproben infizierter Mütter.
Dies führte zur Identifizierung von neun separaten B-Zelllinien, die ZIKV-bindende Antikörper im peripheren Blut von ZIKV-infizierten Müttern produzierten. Außerdem wurde festgestellt, dass diese B-Lymphoblastoid-Zelllinien (B-LCL) eine enthielten, die den IgM-Antikörper DH1017.IgM in pentamerer Form produzierte.
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Dieser nAb war gereift, wie die Tatsache zeigt, dass er eine somatische Mutation durchlaufen hatte. Es war hochgradig spezifisch für ZIKV, reagierte nicht auf andere Flaviviren und zeigte eine ultrapotente Neutralisierung von ZIKV. Im direkten Vergleich mit bekannten ZIKV-neutralisierenden monoklonalen IgG-Antikörpern (mAbs) übertraf sein Neutralisationsbereich den letzteren um das 8- bis über 10.000-fache. Jeder neutralisierende Antikörper mit einer halbmaximalen Hemmkonzentration (IC50) von weniger als 10 ng/ml kann als ultrapotent bezeichnet werden.
Diese Ultrapotenz stand in direktem Zusammenhang mit seinem IgM-Isotyp und rekombinantem DH1017. IgG-Antikörper zeigten viel schwächere Wechselwirkungen mit ZIKV. Insbesondere zeigte DH1017.IgM weder eine Antikörper-abhängige Verstärkung (ADE) der Infektion in vitro, noch reagierte der B-Zell-Klon mit menschlichen Autoantigenen, um eine Autoimmunerkrankung zu verursachen.
Wenn es Mäusen verabreicht wurde, bevor es tödlichen Dosen des Virus ausgesetzt wurde, verhinderte es eine Virämie besser als IgG-Antikörper. Während alle exponierten Kontrollmäuse an der Infektion starben, überlebten die mit DH1017.IgM behandelten und zeigten eine Verringerung der Virämie bis zur Nachweisgrenze. Auch bei halber Dosierung überlebten alle Tiere, aber die Virämie wurde weniger effektiv verhindert. Der Antikörper war bis zu vier Tage nach Virusexposition nachweisbar.
Auch hier „schützt das dekavalente DH1017.IgM-Pentamer bei Mäusen vor der ZIKV-Erkrankung und kontrolliert die Virämie effizienter als das bivalente DH1017.IgG-Monomer.“
Diese Ergebnisse zeigen, dass der multivalente Isotyp von IgM für die überlegene Neutralisationskapazität verantwortlich ist.
Das Virus hat eine fünffache Symmetrie mit mehreren Ektodomänen (E)-Glykoproteineinheiten auf der Oberfläche. Weitere Untersuchungen zur Antikörperstruktur ergaben, dass „die Arme des DH1017.IgM-Pentamers sich zur Oberfläche des Virus hin biegen können und dass jeder Arm mit den Epitopen benachbarter asymmetrischer Einheiten in Kontakt treten kann“. Dieser dekavalente Modus der Antigenerkennung gibt dem IgM-Antikörper einen Vorteil gegenüber dem bivalenten Kontakt, der mit IgG-Antikörpern möglich ist.
IgM-Antikörper können auch an Epitoppaare auf verschiedenen Virionen binden und sie vernetzen, um Aggregate zu bilden. Beide Modi der Antigenerkennung können gleichzeitig wirken.
Was sind die Auswirkungen?
Basierend auf Mausbefunden scheint DH1017.IgM ein guter Kandidat für eine Immuntherapie gegen ZIKV zu sein. Wie andere Flaviviren induziert ZIKV persistente IgM-Antikörper, die helfen könnten, das Virus innerhalb der ersten drei Schwangerschaftsmonate zu neutralisieren.
Dies wird durch die frühere Beobachtung unterstützt, dass die ZIKV-Infektion in den meisten Fällen innerhalb von zwei Wochen nach der Infektion abgeklungen ist, wahrscheinlich aufgrund der frühen Spitzenproduktion von IgM-Antikörpern, die das Virus kontrollieren. Die aktuelle Studie zeigt, dass dies auch bei der Schwangerschaft der Fall ist.
Zukünftige Studien sollten untersuchen, wie IgM-Spiegel mit persistierender Virämie zusammenhängen. Bei der Frau mit der längsten Virämieperiode trat nach dem ersten Peak der IgM-neutralisierenden Aktivität 14 Tage nach Symptombeginn ein zweiter Peak bei ~70 Tagen auf, während dieser Zeit erschien DH1017.IgM. Die somatische Mutation dieser Zelllinie deutet darauf hin, dass es sich um eine Gedächtnis-B-Zelle handelt, die IgM exprimiert, vielleicht aus einem Pool von IgM+ Gedächtnis-B-Zellen und Plasmazellen, die zu Isotyp-spezifischen neutralisierenden IgM-Antikörpern führen können.
Die Art der Neutralisierung könnte über die Bindung an ein quaternäres Epitop erfolgen, von dem zuvor nicht bekannt war, dass es von einem stark neutralisierenden Antikörper erkannt wird. Dieser Epitoptyp markiert jedoch eine Klasse von stark neutralisierenden IgG-mAbs. Seine Verwendung durch diesen IgM-Antikörper könnte eine fusogene Konformationsänderung des E-Proteins verhindern und eine Infektion hemmen.
Die Ultrapotenz von DH1017.IgM ist hauptsächlich auf seine multivalente Bindung zurückzuführen, was darauf hindeutet, dass IgM-Antikörper „eine funktionelle Nische besetzen könnten, die IgM im Zusammenhang mit Krankheitserregern mit repetitiven proximalen Strukturen vorbehalten ist“. Darüber hinaus wird die Aktivität von DH1017.IgM in Gegenwart von Komplement verstärkt, wodurch das Risiko von ADE noch weiter reduziert wird.
„Wichtig ist, dass der DH1017.IgM-vermittelte Schutz vor einer tödlichen ZIKV-Provokation bei Mäusen den Schutz und die Virenkontrolle rekapituliert, die durch starke IgG-neutralisierende Antikörper verliehen werden.“
Im aktuellen Szenario ohne laufende ZIKV-Impfstoffstudien aufgrund der relativen Seltenheit dieser Infektion sind schwangerschaftssichere Interventionen dringend erforderlich, um das Risiko eines angeborenen ZIKV zu verringern. DH1017.IgM kann eine Maßnahme sein, um diese Lücke zu schließen, zumal IgM im Gegensatz zu IgG nicht über die Plazenta übertragen wird, wodurch das Risiko einer fetalen Verletzung oder ADE im Säuglingsalter verringert wird.
Referenz:
- Singh, T. et al. (2022). Ein in der Schwangerschaft hervorgerufenes Zika-Virus-spezifisches IgM zeigt eine ultrapotente Neutralisation. Zelle. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.023. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01369-1
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