Die Pandemie der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) wurde durch die rasche Ausbreitung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verursacht. Seitdem sind in rascher Folge mehrere SARS-CoV-2-Varianten aufgetaucht, von denen die jüngste die Omicron-Variante ist.
In einer kürzlichen PNAS Zeitschriftenstudie beschreiben Forscher die vielen Mutationen, die in der Omicron-Variante vorhanden sind, und ihre Auswirkungen auf veränderte biologische Eigenschaften wie Neutralisierung und Infektiosität.
Lernen: Omicron-Mutationen erhöhen die Infektiosität und reduzieren die Antikörper-Neutralisierung von SARS-Cov-2-virusähnlichen Partikeln. Bildnachweis: Kateryna Kon / Shutterstock.com
Einführung
Es wurden umfangreiche Untersuchungen zur Pathogenität von SARS-CoV-2 durchgeführt, da diese Informationen benötigt werden, um den optimalen Ansatz für die Entwicklung neuer Therapeutika und prophylaktischer Maßnahmen zu bestimmen. Trotz der weltweiten Einführung von COVID-19-Impfstoffen sind mehrere neue Varianten wie die besorgniserregenden Beta- und Delta-Varianten (VOCs) aufgetaucht, die der durch frühere Varianten oder Impfung induzierten Immunität widerstehen.
Die Untersuchung der Infektiosität und Neutralisierungskapazität von SARS-CoV-2-Varianten ist schwierig, da diese Forschung in Labors der Biosicherheitsstufe III (BSL3) durchgeführt werden muss. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden Pseudoviren wie das vesikuläre Stomatitis-Virus und das Lentivirus, die mit dem SARS-CoV-2-Spike-Protein pseudotypisiert sind, verwendet.
Mutationen in anderen Regionen des SARS-CoV-2-Genoms können sich ebenfalls auf seine Eigenschaften auswirken; solche Unterschiede können jedoch nicht unter Verwendung dieser Pseudoviren untersucht werden. Aus diesem Grund verwendeten die Forscher der aktuellen Studie SARS-CoV-2 virusähnliche Partikel (SC2-VLPs), bei denen es sich um Kapside handelt, die mit viraler Ribonukleinsäure (RNA) beladen sind.
SC2-VLPs werden hergestellt, indem Zellen in vitro mit vier speziell entworfenen Plasmiden infiziert werden. Drei dieser Plasmide exprimieren die Spike-, Nukleokapsid-, Membran- und Hüllantigene von SARS-CoV-2, während das vierte eine markierte Boten-RNA (mRNA) exprimiert, die ein Verpackungssignal exprimiert. Diese Plasmide ermöglichen es Forschern, schnell zu untersuchen, was nach der Mutation dieser verschiedenen Strukturgene passiert.
Die in dieser Studie verwendeten viralen Strukturproteine stammten von den Varianten B.1.1, Delta und Omicron. Die Auswirkungen dieser Mutationen wurden mit der Aktivität der B.1 (Wildtyp)-Gene verglichen.
Studienergebnisse
Die SARS-CoV-2-Delta- und Omicron-Spike-exprimierenden VLPs zeigten im Vergleich zu B.1 eine um 60 % verringerte Infektiosität bzw. eine höhere Infektiosität; jedoch war die Spike-Expression in allen Varianten ähnlich. Dieser Unterschied ist wahrscheinlich auf die reduzierte Effizienz der Delta-Infektion und die erhöhte intrinsische Effizienz des Omicron-Spike-Proteins zurückzuführen.
Die lentiviralen Pseudoviruspartikel zeigten jedoch den gegenteiligen Trend, wobei die Delta- und Omicron-Pseudoviren jeweils höhere und niedrigere Viruseintrittsraten aufwiesen. Spike-Zell-Wechselwirkungen unterschieden sich auch mit den spezifischen Membran- und Nukleokapsid-Varianten, die exprimiert wurden.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die gesamte genetische Zusammensetzung des Virus die Fähigkeit des Spike-Gens beeinflusst, Zellen zu infizieren. Dennoch sind die Mutationen im Omicron-Spike die Hauptdeterminante der Zellinfektiosität.
Frühere Untersuchungen haben bestätigt, dass das Nukleokapsid-Gen in allen drei Varianten im Vergleich zu B.1 R203-Mutationen enthält, die mit einer höheren Infektiosität und RNA-Verpackung verbunden sind. In der aktuellen Studie zeigten sowohl Delta- als auch Omicron-Nucleocapsid-Gene eine Zunahme dieser beiden Eigenschaften sowie eine höhere Nucleocapsid-Expression. Somit ist das Nucleocapsid-Protein für eine effiziente Infektion und virale Verpackung essentiell.
Wenn nur die Membran- oder Hüllmutationen in der Omicron-Variante durch andere Gene ersetzt wurden, die zum B.1-Vorfahrenstamm gehören, wurde die Infektiosität mit geringerer Nukleokapsid- und Spike-Expression reduziert. Daher sind einige Omicron-Gene mit einer verringerten Effizienz des Virion-Zusammenbaus und einer geringeren viralen Fitness verbunden.
Andere Omicron-Gene scheinen jedoch zu kompensieren und letztendlich zu der insgesamt fünffachen Infektiosität dieses VLP im Vergleich zu B.1 beizutragen. Die Infektiosität des Omicron VLP war vergleichbar mit der von Delta und B.1.1.
Neutralisierende Kapazität
Antiseren von geimpften Personen sowie Genesungsseren von genesenen Patienten ohne Vorgeschichte einer Impfung neutralisierten wirksam B.1. Die höchsten Titer neutralisierender Antikörper (nAb) gegen VLPs stammten von denen, die mRNA-Impfstoffe erhielten, jeweils etwa 500. Im Gegensatz dazu zeigten Antiseren von denen, die den viralen Vektorimpfstoff erhielten, sowie von Rekonvaleszenten niedrigere Titer von jeweils etwa 30.
Diese Titer korrelierten nicht mit Anti-Spike-Immunglobulin G (IgG)-Titern, was darauf hindeutet, dass bindende Antikörper nicht immer nAbs sind.
Die neutralisierende Wirksamkeit von mRNA-Impfstoff-Antiseren war geringer gegenüber der Delta-Variante und um das 15- bis 18-fache gegenüber Omicron reduziert. Diese Flucht vor der Neutralisierung schien durch mehrere Mutationen vermittelt zu werden.
Bemerkenswerterweise führte eine dritte Dosis eines mRNA-Impfstoffs zu höheren nAb-Titern gegen alle getesteten Varianten. Die Omicron-Neutralisation war jedoch immer noch achtmal geringer als die gegen B.1 hervorgerufene, was ein teilweises Entweichen anzeigt.
Monoklonale Antikörper
Kommerzielle monoklonale Antikörper (mAbs) wie Casirivimab (Regeneron), Imdevimab (Regeneron), Sotrovimab (Vir/GSK) und Bebtelovimab (AbCellera/Eli Lilly) wurden auf ihre neutralisierende Wirksamkeit getestet. Alle mAbs waren hochwirksam gegen das angestammte Spike-Protein; Omicron wurde jedoch nur durch Sotrovimab und Bebtelovimab neutralisiert.
Sotrovimab zeigte sowohl gegen Delta als auch gegen Omicron eine geringere Wirksamkeit als B.1. Im Vergleich dazu zeigte Bebtelovimab eine Hemmkonzentration von 50 % im niedrigen nanomolaren Bereich (IC50).
Ein VLP mit Omicron-Mutationen in der Spike-Region, aber außerhalb der Rezeptorbindungsdomäne (RBD), die mit dem Angiotensin-Converting-Enzyme-2-(ACE2)-Rezeptor der Wirtszelle interagiert, wurde ebenfalls getestet. Dieses VLP hatte RBD-Mutationen, von denen bereits gezeigt wurde, dass sie der Bindung durch Klasse-1- und Klasse-3-Antikörper (OmC1 bzw. OmC3) entkommen.
Darüber hinaus wurde dieses VLP nicht durch Casirivimab oder Imdevimab neutralisiert, obwohl beide B.1.1- und Delta-VLPs leicht neutralisierten. Während Casirivimab OmC3 neutralisiert, neutralisiert Imdevimab OmC1. Die Kombination von Omicron-Mutationen führte jedoch dazu, dass beide Antikörper diese Variante nicht neutralisierten.
Schlussfolgerungen
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen den Nutzen von SARS-CoV-2-VLPs für das Verständnis, wie Mutationen in verschiedenen Strukturproteinen die Partikelinfektiosität und die Antikörper-vermittelte Neutralisierung verschiedener Varianten beeinflussen. Eine interessante Entdeckung ist die reduzierte Infektiosität von Omicron-Membran- und Hüllmutationen, obwohl diese Eigenschaft durch Mutationen in den Spike- und Nucleocapsid-Genen kompensiert wird, die die virale Fitness dieser Variante erhöhen.
Die Überwachung der Entwicklung der S- und N-Gene und die Bestimmung, warum das N-Gen eine so ausgeprägte Wirkung auf die Infektiosität von Viruspartikeln hat, kann die Entwicklung besserer Diagnostika ermöglichen, die Entwicklung von Impfstoffen auf breiterer Basis neutralisieren und potenziell neue Therapeutika ermöglichen.“
Die Wirksamkeit von mRNA-Impfstoffen bei der Neutralisierung von Nicht-Omicron-Varianten wurde bestätigt, obwohl die Studie zelluläre Immunantworten nicht berücksichtigte, von denen angenommen wird, dass sie bei der Vorbeugung und Bekämpfung von Infektionen wirksam sind. Der Wirksamkeitsverlust von derzeit verfügbaren mAbs gegen Omicron wurde ebenfalls gezeigt, während eine dritte Dosis eines mRNA-Impfstoffs spezifische nAb-Antworten auf Omicron zu verstärken scheint.
Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Omicron im Vergleich zu Delta eine ähnliche Assemblierungseffizienz und einen ähnlichen Zelleintritt aufweist und dass seine schnelle Ausbreitung hauptsächlich auf eine verringerte Neutralisierung in Seren von zuvor geimpften Probanden zurückzuführen ist.“
Die Omicron-Variante ist auch weitgehend resistent gegen die meisten heute verwendeten mAbs, mit Ausnahme von Bebtelovimab.
Referenz:
- Syed, AM, Ciling, A., Taha, TY, et al. (2022). Omicron-Mutationen erhöhen die Infektiosität und reduzieren die Antikörper-Neutralisierung von SARS-Cov-2-virusähnlichen Partikeln. PNAS. doi:10.1073/pnas.2200592119.
