Das Spike-Protein der SARS-CoV-2-Variante A.30 ist stark mutiert und entzieht sich mit hoher Effizienz den durch den Impfstoff ausgelösten Antikörpern

Veröffentlicht am 25. Oktober 2021
Prerna Arora, Cheila Rocha, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Luise Graichen, Martin S. Winkler, Martin Lier, Sebastian Schulz, Hans-Martin Jäck, Anne Cossmann, Metodi V. Stankov, Georg M. N. Behrens, Stefan Pöhlmann & Markus Hoffmann

Die durch SARS-CoV-2 verursachte COVID-19-Pandemie wütet weiterhin in vielen Ländern und belastet die Gesundheitssysteme und Volkswirtschaften. Impfstoffe schützen vor schweren Erkrankungen und Todesfällen und gelten als entscheidend für die Beendigung der Pandemie.

COVID-19-Impfstoffe (und SARS-CoV-2-Infektionen) lösen Antikörper aus, die gegen das virale Spike-Protein (S) gerichtet sind und das Virus neutralisieren. Das Auftreten von SARS-CoV-2-Varianten mit S-Protein-Mutationen, die eine Resistenz gegen die Neutralisierung bewirken, könnte jedoch die Wirksamkeit des Impfstoffs beeinträchtigen [1].

Darüber hinaus könnten sich neu auftretende Virusvarianten mit erhöhter Übertragbarkeit, die wahrscheinlich auf veränderte Wechselwirkungen zwischen Virus und Wirtszelle zurückzuführen sind, rasch weltweit verbreiten. Daher ist es wichtig zu untersuchen, ob neu auftretende SARS-CoV-2-Varianten veränderte Wirtszell-Interaktionen und Resistenz gegen Antikörper-vermittelte Neutralisierung aufweisen.

Wir untersuchten den Eintritt in die Wirtszelle und die Antikörper-vermittelte Neutralisierung der Variante A.30 (auch als A.VOI.V2 bezeichnet), die im Frühjahr 2021 bei mehreren Patienten in Angola und Schweden nachgewiesen wurde und wahrscheinlich aus Tansania stammt [2].

Zum Vergleich haben wir die Varianten Beta (B.1.351) und Eta (B.1.525) analysiert. Diese beiden Varianten wurden erstmals in Afrika entdeckt, und die Beta-Variante, die als besorgniserregende Variante (VOC) gilt, weist unter den SARS-CoV-2-VOCs die höchste Neutralisierungsresistenz auf [3, 4].

Im Vergleich zum S-Protein von SARS-CoV-2 B.1, das in der frühen Phase der Pandemie zirkulierte, enthält das S-Protein der A.30-Variante 10 Aminosäure-Substitutionen und fünf Deletionen (Abb. 1a und ergänzende Informationen, Abb. S1a).

Alle Deletionen und vier Substitutionen befinden sich in der N-terminalen Domäne der Oberflächeneinheit S1, die ein antigenes Supersite beherbergt, gegen das die meisten neutralisierenden Antikörper gerichtet sind, die nicht gegen die rezeptorbindende Domäne (RBD) gerichtet sind [5].

Darüber hinaus befinden sich drei Mutationen innerhalb der RBD, die an den zellulären Rezeptor ACE2 bindet und das Hauptziel der neutralisierenden Antikörper darstellt (Abb. 1a). Zwei dieser Mutationen, T478R und E484K, befinden sich in der Nähe der ACE2-Bindungsstelle (ergänzende Informationen, Abb. S1a), und E484K ist dafür bekannt, dass es die Anfälligkeit für Antikörper-vermittelte Neutralisierung verringert.

Schließlich befinden sich zwei Mutationen in der Nähe der S1/S2-Spaltstelle, und eine Mutation ist in der Transmembraneinheit S2 zu finden, die die Fusion der Virushülle mit Zellmembranen erleichtert (Abb. 1a).

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Grafik-Beschreibung:
SARS-CoV-2 A.30 dringt mit erhöhter Effizienz in bestimmte Zelllinien ein und entzieht sich der Antikörper-vermittelten Neutralisierung. a Schematische Übersicht und Domänenorganisation der untersuchten SARS-CoV-2 S-Proteine. Abkürzungen: RBD, rezeptorbindende Domäne; TD, Transmembrandomäne. b Pseudotypisierte Partikel, die die angegebenen S-Proteine tragen, wurden in verschiedene Zelllinien beimpft, und die Transduktionseffizienz wurde durch Messung der viruskodierten Luziferaseaktivität in Zelllysaten 16-18 Stunden nach der Inokulation quantifiziert.

Dargestellt sind die durchschnittlichen (mittleren) Daten von sechs bis 12 biologischen Replikaten (jeweils mit technischen Vierfachen), für die die Transduktion gegen SARS-CoV-2 S B.1 (= 1) normalisiert wurde. Die Fehlerbalken geben den Standardfehler des Mittelwerts (SEM) an.

Die statistische Signifikanz der Unterschiede zwischen B.1 und A.30, B.1.525 oder B.1.351 wurde mit einem zweiseitigen Student's t-Test mit Welch-Korrektur analysiert (p > 0,05, nicht signifikant [ns]; p ≤ 0,05, *; p ≤ 0,01, **; p ≤ 0,001, ***). Siehe auch ergänzende Informationen, Abb. S1b. c Neutralisierung von SARS-CoV-2 B.1, A.30, B.1.525 und B.1.351 durch monoklonale Antikörper, die für die COVID-19-Therapie verwendet werden, oder einen nicht verwandten Kontrollantikörper (ergänzende Informationen, Abb. S1d). Pseudotypisierte Partikel wurden 30 Minuten lang bei 37 °C in Gegenwart steigender Konzentrationen (0,00002, 0,0002, 0,002, 0,02, 0,2, 2 µg/ml) der angegebenen monoklonalen Antikörper oder eines nicht verwandten Kontrollantikörpers inkubiert, bevor sie auf Vero-Zellen geimpft wurden.

Die Infektionseffizienz wurde durch Messung der viruskodierten Luciferase-Aktivität in Zelllysaten 16-18 Stunden nach der Inokulation quantifiziert. Dargestellt sind die durchschnittlichen (mittleren) Daten eines einzigen biologischen Replikats (durchgeführt mit technischen Vierfachexemplaren), für das die Infektion gegen Proben normalisiert wurde, die keinen Antikörper enthielten (= 0% Hemmung).

Die Daten wurden in einem separaten unabhängigen Experiment bestätigt. Fehlerbalken geben die Standardabweichung an. d Neutralisierung von SARS-CoV-2 B.1, A.30, B.1.525 und B.1.351 durch Antikörper in Rekonvaleszentenplasma. Pseudotypisierte Partikel, die die angegebenen S-Proteine tragen, wurden 30 Minuten lang in Gegenwart verschiedener Verdünnungen von Rekonvaleszentenplasma (n = 9) inkubiert.

Die Infektionseffizienz wurde wie in Abb. 1b beschrieben bestimmt und zur Berechnung des Plasmaverdünnungsfaktors verwendet, der zu einer 50%igen Verringerung des S-Protein-bedingten Zelleintritts führt (neutralisierender Titer 50, NT50). Es werden Daten von insgesamt neun Rekonvaleszenzplasmaproben dargestellt (schwarze Linien und Zahlenwerte geben den Median des NT50 an).

Darüber hinaus wurde für jede Plasmaprobe die fache Reduktion des NT50 zwischen SARS-CoV-2 B.1 (als 1 gesetzt) und den angegebenen Varianten berechnet (graue Balken geben den Median an). Die statistische Signifikanz der Unterschiede zwischen den angegebenen Gruppen wurde mit einem zweiseitigen Mann-Whitney-Test mit einem Konfidenzniveau von 95% analysiert (p > 0,05, ns; p ≤ 0,05, *; p ≤ 0,01, **; p ≤ 0,001, ***). e Das Experiment wurde wie in Panel d beschrieben durchgeführt, jedoch wurde Serum von ChAdOx1 nCoV-19/ChAdOx1 nCoV-19 (AZ/AZ; n = 23), BNT162b2/BNT162b2 (BNT/BNT; n = 12) oder ChAdOx1 nCoV-19/BNT162b2 (AZ/BNT; n = 6)-geimpften Personen untersucht.

Die Zahlen in den Balkendiagrammen "B.1 vs. A.30" und "B.1 vs. B.1.525" geben die Anzahl der sich überschneidenden Datenpunkte (Punkte) an.

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Für die Analyse des viralen Eintritts in Zellen und dessen Hemmung durch Antikörper verwendeten wir rhabdovirale Pseudotypen, die das SARS-CoV-2 S-Protein tragen, ein geeignetes Modell für die Untersuchung des Eintritts und der Neutralisierung von SARS-CoV-2 [6].

Als Targets dienten die Zelllinien Vero und 293T (beide aus Nieren), Huh-7 (Leber), A549 (Lunge), Calu-3 (Lunge) und Caco-2 (Dickdarm). B.1 drang effizient in alle Zelllinien ein, und die Eintrittseffizienz von B.1.525 war vergleichbar (Abb. 1b und ergänzende Informationen, Abb. S1b).

Der Eintritt von B.1.351 in mehrere Zelllinien war leicht, aber signifikant erhöht, und dieser Phänotyp war besonders robust für Calu-3-Lungenzellen, was mit den veröffentlichten Ergebnissen übereinstimmt [3]. A.30 schließlich zeigte im Vergleich zu B.1 eine deutlich erhöhte Effizienz beim Eintritt in Vero-, 293 T-, Huh-7- und A549-Zellen, obwohl der Eintritt in Calu-3- und Caco-2-Zellen nicht erhöht war (Abb. 1b).

Tests mit monoklonalen Antikörpern, die gegen das S-Protein gerichtet sind und für die COVID-19-Therapie verwendet werden, ergaben, dass B.1.351 erwartungsgemäß sowohl gegen Bamlanivimab als auch gegen Etesevimab resistent war [3] und dass B.1.525 resistent gegen Bamlanivimab war (Abb. 1c).

A.30 war ebenfalls resistent gegen Bamlanivimab, aber empfänglich für die Hemmung durch einen Cocktail aus Bamlanivimab und Etesevimab (Abb. 1c). Darüber hinaus zeigte B.1.351 erwartungsgemäß eine deutlich verringerte Neutralisierung durch die bei der Infektion induzierten Antikörper; [3] die Neutralisierungsumgehung durch A.30 und B.1.525 war leicht (A.30) bis mäßig (B.1.525) weniger effizient (Abb. 1d und ergänzende Informationen, Abb. S2).

Umgekehrt war A.30 im Vergleich zu B.1.351 resistenter gegen die Neutralisierung durch Antikörper, die nach homologer ChAdOx1 nCoV-19 (Vaxzevria) oder BNT162b2 (Comirnaty) Impfung induziert wurden, aber die Neutralisierungsempfindlichkeit von B.1.525 lag ungefähr im gleichen Bereich wie die von B.1.351 (Abb. 1e und ergänzende Informationen, Abb. S2 und Tabelle S1).

Schließlich wiesen alle getesteten Varianten eine verringerte und vergleichbare Umgehung von Antikörpern auf, die durch heterologe ChAdOx1 nCoV-19/BNT162b2-Impfung induziert wurden, was mit den für die Delta-Variante (B.1.617.2) veröffentlichten Ergebnissen übereinstimmt [7].

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass A.30 eine Zelllinienpräferenz aufweist, die für andere virale Varianten nicht beobachtet wurde, und sich effizient der Neutralisierung durch Antikörper entzieht, die durch ChAdOx1 nCoV-19 oder BNT162b2-Impfung ausgelöst werden.

Der Eintritt von SARS-CoV-2 in Zelllinien hängt von der Aktivierung des S-Proteins durch die zellulären Proteasen Cathepsin L oder TMPRSS2 ab [8], und es wird angenommen, dass die Aktivierung durch letztere die Virusausbreitung in der Lunge unterstützt.

Daher ist es bemerkenswert, dass bei Zelllinien mit Cathepsin L- (Vero, 293 T, Huh-7, A549-Zellen), nicht aber mit TMPRSS2-abhängigem Eintritt (Calu-3, Caco-2) ein verstärkter A.30-Eintrag beobachtet wurde [8]. Daher könnte man spekulieren, dass A.30 Cathepsin L mit erhöhter Effizienz nutzt.

Eine leichte (aber statistisch nicht signifikante) Resistenz von A.30 gegen den Cathepsin-L-Inhibitor MDL 28170 unterstützt diese Möglichkeit (ergänzende Informationen, Abb. S1c). Bemerkenswert ist, dass der robuste Eintritt in die Zelllinien mit einer hohen Resistenz gegen Antikörper einherging, die durch die Impfung mit ChAdOx1 nCoV-19 oder BNT162b2 induziert wurden.

Die Neutralisierungsresistenz übertraf die der Beta (B.1.351)-Variante, die in Zellkulturen deutlich neutralisierungsresistent ist und im Vergleich zur Alpha (B.1.1.7)-Variante durch den ChAdOx1 nCoV-19-Impfstoff weniger gut gehemmt wird [9]. Dennoch könnte eine heterologe ChAdOx1 nCoV-19/BNT162b2-Impfung, von der zuvor gezeigt wurde, dass sie die neutralisierenden Antikörperreaktionen gegen VOCs im Vergleich zu entsprechenden homologen Impfungen verstärkt [7, 10], einen robusten Schutz gegen die A.30-Variante bieten.

Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass sich die SARS-CoV-2-Variante A.30 der Kontrolle durch impfstoffinduzierte Antikörper entziehen kann und möglicherweise eine erhöhte Fähigkeit aufweist, auf Cathepsin L-abhängige Weise in Zellen einzudringen, was insbesondere die extrapulmonale Ausbreitung begünstigen könnte. Die potenzielle Ausbreitung der A.30-Variante rechtfertigt daher eine genaue Überwachung und die rasche Einleitung von Gegenmaßnahmen.

Referenzen

1. Harvey WT, Carabelli AM, Jackson B, Gupta RK, Thomson EC, Harrison EM, et al. SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. Nat Rev Microbiol. 2021;19:409–24.
2. COV-Lineages.org. Lineage A.30, https://cov-lineages.org/lineage.html?lineage=A.30 (2021).
3. Hoffmann M, Arora P, Groß R, Seidel A, Hörnich BF, Hahn AS, et al. SARS-CoV-2 variants B.1.351 and P.1 escape from neutralizing antibodies. Cell. 2021;184:2384–93.
4. Wibmer CK, Ayres F, Hermanus T, Madzivhandila M, Kgagudi P, Oosthuysen B, et al. SARS-CoV-2 501Y.V2 escapes neutralization by South African COVID-19 donor plasma. Nat Med. 2021;27:622–5.
5. McCallum M, De Marco A, Lempp FA, Tortorici MA, Pinto D, Walls AC, et al. N-terminal domain antigenic mapping reveals a site of vulnerability for SARS-CoV-2. Cell. 2021;184:2332–47.
6. Schmidt F, Weisblum Y, Muecksch F, Hoffmann HH, Michailidis E, Lorenzi JCC, et al. Measuring SARS-CoV-2 neutralizing antibody activity using pseudotyped and chimeric viruses. J Exp Med. 2020;217:e20201181.
7. Behrens GM, Cossmann A, Stankov MV, Nehlmeier I, Kempf A, Hoffmann M, et al. SARS-CoV-2 delta variant neutralisation after heterologous ChAdOx1-S/BNT162b2 vaccination. Lancet. 2021;398:1041–2.
8. Hoffmann M, Kleine-Weber H, Schroeder S, Krüger N, Herrler T, Erichsen S, et al. SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically proven protease inhibitor. Cell. 2020;181:271–80.
9. Madhi SA, Baillie V, Cutland CL, Voysey M, Koen AL, Fairlie L, et al. Efficacy of the ChAdOx1 nCoV-19 Covid-19 Vaccine against the B.1.351 Variant. N. Engl J Med. 2021;384:1885–98.
10. Barros-Martins J, Hammerschmidt SI, Cossmann A, Odak I, Stankov MV, Morillas Ramos G, et al. Immune responses against SARS-CoV-2 variants after heterologous and homologous ChAdOx1 nCoV-19/BNT162b2 vaccination. Nat Med. 2021;27:1525–9.

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Artikel vom 25.10.2021, Quelle:

https://www.nature.com/articles/s41423-021-00779-5

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