Heterosubtypic immunity to influenza A viruses: epidemiological data, involvement of different immunological factors, vaccination

Abstract

The fact that the spread of new pandemic influenza A strains poses a constant threat to public health attracts the particular attention of scientists to heterosubtypic immunity (HIS) against different subtypes of this pathogen. This review summarizes data from the world scientific literature on studies of HIS. It presents HIS-related data on the epidemiology of influenza, immunity factors, and groundwork for the design of a universal influenza vaccine

Full Text

Постоянная антигенная эволюция вируса гриппа А, а также потенциальная опасность возникновения новых пандемий, вызванных высокопатогенными подтипами этого возбудителя, поддерживают неослабевающий интерес к проблеме гетеросубтипического иммунитета (ГСТИ), т. е. иммунитета, генерированного одним подтипом вируса против других подтипов. Идея о существовании ГСТИ к вирусам гриппа А обсуждается учеными с 1965 г., когда J. Schulman и E. Killbourne [42] впервые представили данные о том, что инфицирование мышей вирусом одного подтипа снижает патологические проявления инфекции и титр вируса в легких при челлендже (заражение с целью проверки протекции) вирусом другого подтипа. Обнаруженный феномен оказался специфичным только для вирусов гриппа А, но не действовал при челлендже вирусом гриппа В. Позднее было показано, что заражение мышей вирусом А (H3N2) с последующим челленджем вирусом А (H1N1) не предотвращало развитие инфекции, вызванной вторым вирусом, но снижало ее тяжесть - вирус поражал трахею и легкие, но не приводил к летальному исходу [63]. Впоследствии наличие такого эффекта между другими подтипами возбудителя было неоднократно продемонстрировано в опытах на свиньях, цыплятах, хлопковых крысах и хорьках [40, 43, 49, 62]. Таким образом, совокупность приведенных выше данных свидетельствовала о существовании частичного кроссреактивного нестерильного иммунитета между подтипами вируса гриппа А. На сегодняшний день известны 16 подтипов гемаг-глютинина (НА) и 9 подтипов нейраминидазы (NA) у вируса гриппа А. Эти наружные белки, особенно НА, отличаются высокой антигенной пластичностью, главным образом за счет возникновения мутаций в кодирующих их генах. Как полагают, происхождение данных мутаций связано с антителообусловленной селекцией мутантов, не поддающихся нейтрализации. Этот процесс назван антигенным дрейфом, который и диктует ежегодное обновление вакцинных штаммов. Термин “антигенный шифт” означает вступление в циркуляцию штаммов вируса гриппа А с НА, с которым не встречалось либо все население планеты, либо только определенные возрастные контингенты. Помимо генов, кодирующих поверхностные гликопротеиды вируса гриппа А, т. е. HA и NA, в состав его РНК включены гены двух матриксных белков (M1 и M2), трех полимеразных (PB1, PB2 и PA) и трех неструктурных белков (NS1, NS2-NEP и PB1-F2). Все эти белки являются высококонсервативными в пределах разных подтипов. Именно они главным образом индуцируют кроссреактивные факторы иммунитета, хотя непластичные последовательности обнаружены и в составе НА. В настоящем обзоре мы попытались обобщить накопленные эпидемиологические и иммунологические данные о ГСТИ. Эпидемиологические данные Эти данные ограничены, но имеют очень весомое значение в обосновании функции ГСТИ в эпидемическом процессе при гриппе А. По нашему мнению, существует три наиболее доказательных прямых или косвенных аргумента в пользу важного значения ГСТИ в защите людей от возбудителя гриппа. Первый аргумент (прямой) - существование обратной зависимости между показателями регистрируемой заболеваемости населения в начальный период новых пандемий, вызванных шифтовыми вариантами вируса, с одной стороны, и инфицированием в период предшествующего пандемического цикла, с другой. Так, в проведенных в то время эпидемиологических исследованиях доказано наличие такой зависимости во время пандемий гриппа А (H2N2) в 1957 г. [19, 44] и гриппа А (H3N2) в 1968 г. [1]. Опубликованы также данные о взаимном влиянии на заболеваемость гриппом A(H1N1) и A(H3N2) при их совместной циркуляции с 1977 г. [48]. Второй аргумент (косвенный) - наличие четко выраженной схожести повозрастной структуры заболеваемости населения при развитии всех фиксированных пандемических циклов: грипп всегда поражал прежде всего детей, а среди взрослых наблюдалось снижение заболеваемости по мере возрастания количества встреч с предшествующими подтипами вируса гриппа А, т. е. увеличения количественных показателей кроссреактив-ной иммунологической памяти [1, 30]. Третий аргумент, тоже косвенный, - регистрация тотальной заболеваемости в сочетании с высокой смертностью во всех возрастных группах длительно изолированных коллективов (или коллективов с очень ограниченными внешними контактами) при заносе возбудителя гриппа в период всех фиксированных в истории пандемий [2]. Этот феномен наблюдали у коренных жителей Сибири и Дальнего Востока, Аляски, северных регионов Канады, изолированных океанических островов, аборигенов Австралии. Такой тип заболеваемости являлся следствием отсутствия или очень слабой выраженности ГСТИ у жителей изолированных территорий. Факторы иммунитета, участвующие в ГСТИ Абсолютное большинство накопившейся к настоящему времени информации о факторах адаптивного ГСТИ к вирусам гриппа А получены в эксперименте на мышах. CD8+ Т-клетки. Узнавание специфическими Т-клет-ками пептидов вируса гриппа А происходит в ассоциации с главным комплексом гистосовместимости, представленным молекулами I и II классов. Иммуногенные пептиды являются продуктами вирусных генов. Большинство Т-клеток включают наиболее функциональные специфичности, которые узнают консервативные эпитопы цитоплазматических и нуклеарных белков, общие для всех подтипов вируса гриппа А. Такие клетки и являются одним из компонентов ГСТИ. Субпопуляции кроссреактивных Т-клеток описаны в ранних работах [14, 61, 66]. Главным итогом этих исследований явилась констатация важного факта - у инфицированных мышей цитотоксические лимфоциты (ЦТЛ), несущие маркер CD8+, могли лизировать клетки-мишени после челленджа гетерологичным штаммом. Роль клеток CD8+ в ГСТИ изучена на нокаутных мышах с выключенными участками генов, ответственных за продукцию или рецепцию через TCR данной популяции лимфоцитов, а также на мышах, которым проводили антительное истощение вирусспецифических CD8+ Т-клеток. Были показаны, во-первых, частичная отмена ГСТИ при антительном истощении CD8+ Т-клеток, во-вторых, наличие частичной протекции после челленджа гетерологичным подтипом вируса гриппа А при адаптивном переносе нокаутным мышам кроссреактивных культуральных CD8+ Т-клеток [29]. Кроме того, было установлено, что мишенью для этих клеток служит не только вирусный NP [52], но и консервативные домены других белков: PA [6], M1 [28], HA и NA [39]. На сегодняшний день кроссреактивный CD8+ Т-клеточный иммунный ответ к внутренним белкам вируса гриппа А продемонстрирован при введении мышам многих подтипов вируса гриппа А: A (H1N1), A (H2N2), A (H3N2), A (H5N1), A (H5N2), A (H7N9) [23]. Расшифрованы некоторые механизмы участия в ГСТИ CD8+ Т-клеток. Так, показана роль перфорина и Fas-опосредованного пути в клиренсе вируса кроссреактив-ными лимфоцитами этого фенотипа [57]. Отмечено важное значение в ГСТИ CD8+ Т-клеточного хоминга [9]. В исследованиях, включающих анализ индукции кроссреактивных CD8+ Т-клеток в сочетании с данными о тяжести инфекции у различных животных (мыши, хорьки, цыплята, свиньи, хлопковые крысы) после челленджа гетерологичным подтипом вируса гриппа А, отмечен факт ограниченности ГСТИ. Последний проявляется в том, что челлендж гетерологичным вирусом гриппа A не предотвращал развитие инфекции, но обеспечивал снижение ее клинических проявлений и показателей смертности [38, 43, 49, 62, 63]. Такое снижение выраженности патологических симптомов связано с обусловленным ГСТИ ускорением клиренса вируса из верхних и нижних отделов дыхательного тракта. У людей кроссреактивные CD8+ Т-клетки изучены значительно слабее. У невакцинированных лиц обнаружены Т-клетки, специфичные к M1 и NP птичьих вирусов A(H5N1) и A(H5n2) [26, 28]. Это связано с тем, что гриппозная инфекция, вызываемая циркулирующими вирусами A(H1N1) и A(H3N2), и противогриппозная вакцинация сезонными вакцинами сопровождается накоплением CD8+ Т-клеток, специфичных к консервативным антигенам свиного и птичьих вирусов гриппа А [12]. Не исключено участие этих клеток в сдерживании эпидемического распространения среди людей зоонозных подтипов возбудителя. CD4+ Т-клетки. Роль этих клеток в ГСТИ изучена слабее, чем CD8+ Т-клеток. CD4+ Т-клетки важны для обеспечения переключения продукции разных классов иммуноглобулинов, в возникновении соматических мутаций в В-клетках и развитии высокоавидного противовирусного антительного ответа. После антительного истощения CD4+ Т-клеток титр вируснейтрализующих антител у мышей резко снижался [15]. Однако аналогичное истощение этих клеток перед развитием экспериментальной гриппозной инфекции выражалось только в слабой задержке вирусного клиренса [3, 15]. По-видимому, данный феномен связан с незначительным участием клеток CD4+ в цитотоксиче-ском иммунном ответе [3]. Заражение мышей человеческим циркулирующим вирусом гриппа А(Н1Ш) индуцировало продукцию крос-среактивных CD4+ Т-клеток к НА, NA и NP птичьего вируса A(H5N1) [39]. У невакцинированных людей выявлены CD4+ Т-клетки памяти, специфичные к M1 и NP птичьих вирусов H5N1 в H5N2 [28]. Данные о непосредственном участии CD4+ Т-клеток в ГСТИ неоднозначны. Адоптивный перенос CD4+ Т-клеток (специфичных к внутренним белкам вируса гриппа А) от взрослых прай-мированных мышей новорожденным животным ускорял у последних вируснейтрализующий антительный ответ к НА вируса [41]. Это свидетельствует о способности хел-перных клеток потенцировать продукцию антител и при ГСТИ. Истощение CD4+ Т-клеток перед челленджем ге-теросубтипическим вирусом гриппа А частично отменяло ГСТИ [29]. Однако такое истощение слабо влияло на выживаемость мышей при летальном гетеросубтипиче-ском челлендже [17]. Частичную гетеросубтипическую защиту, проявляемую снижением титра гетерологично-го вируса в легких, оказывали поликлональные CD4+ Т-клетки памяти у нокаутных мышей, дефицитных по В- и CD8+ Т-клеткам [53]. По данным D. Brown и со-авт. [7], субпопуляция цитотоксических CD4+ Т-клеток играет роль в снижении тяжести гриппозной инфекции только в отсутствие CD8+ Т-клеток. Важно также отметить, что у невакцинированных людей были обнаружены CD4+ Т-клетки иммунологической памяти к птичьему вирусу A(H5N1) и свиному вирусу A(H1N1) [26]. Другие Т-клетки. В опыте с NK-дефицитными мышами показано отсутствие или очень незначительное влияние этих клеток на ГСТИ [4]. Однако у5-Т-клеточно-дефицитные мыши (популяция у5-Т-клеток не несет маркеры CD4 и CD8) с истощенными CD4+ и CD8+ Т-клетками теряли способность к развитию ГСТИ [4]. Это свидетельствует о том, что данные клетки принимают участие в ГСТИ. Антитела и В-клетки. Вируснейтрализующие антитела (преимущественно к НА) являются важным компонентом в развитии адаптивного гомологичного противогриппозного иммунитета. Традиционно на них направлено основное внимание при оценке иммуногенности вакцин. Анти-NA-антитела также участвуют в защите людей от гриппа [34], снижении титра вируса в дыхательных путях и летальности зараженных животных [16, 33]. Непрямая поддержка антительного ГСТИ показана в исследованиях на мышах, дефектных по терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазе (TdT), которая участвует в усилении антителообразования [35]. У таких мышей (TdT-/-) отмечено снижение развития ГСТИ, несмотря на функционирование ЦТЛ. Между тем в другом эксперименте продемонстрировано частичное сохранение ГСТИ у мышей, лишенных возможности продуцировать системные и локальные антитела [4]. Более прямые доказательства участия антител в ГСТИ получены в исследованиях с новорожденными мышами, которые появились от самок, вакцинированных в неонатальный период развития плода [32]. Эти данные указывали на роль материнских антител в обеспечении ГСТИ к разным подтипам вируса гриппа A у новорожденных животных. Наиболее перспективными в отношении индукции крос-среактивных антител считаются вирусные NP и M2, которые активно экспрессируются на поверхности инфицированных клеток [25]. Наличие ГСТИ продемонстрировано при адоптивном переносе анти-М2-антител или поствак-цинальной индукции этих антител [20, 21, 56, 60]. Введение мышам солюбилизированного NP хорошо индуцировало анти-№-антитела и повышало гетеросубтипическую резистентность к разным подтипам вируса гриппа A [8]. Обращает на себя внимание факт обнаружения ви-руснейтрализующих антител к птичьему вирусу гриппа A(H5N1) в сыворотках крови доноров из Европы, Северо-Восточной Азии и Австралии [51]. Получены весьма интересные данные об индукции у лабораторных животных перекрестно реагирующих вируснейтрализующих антител и секретирующих их В-клеток к гемагглютининам H1, H2, H5, H6 [36, 37, 45, 46]. У людей, привитых сезонной гриппозной вакциной, выделены В-клетки памяти, продуцирующие моноклональные антитела с кроссреактивностью к гемагглюти-нинам H1, H2, H3, H5, H9 и H13 [64]. Пассивное введение мышам или хорькам этих антител обеспечивало перекрестную защиту от заражения вирусами гриппа A разных подтипов. В другой работе [13] показано, что вакцинация людей сезонной вакциной стимулировала накопление у них клонов В-клеток, секретировавших моноклональные IgM- и IgG-антитела, которые были специфичны к гемагглютининам H1, H2, H5, H6 и H9. Эти антитела защищали мышей от челленджа пандемическим вирусом A(H1N1) и птичьим вирусом A(H5N1). В совокупности полученные данные по выделению таких антител открывают новую перспективу для создания универсальной противогриппозной вакцины [11]. Высказано мнение, что накопление у людей антител к консервативным эпитопам всех белков вирусов гриппа А поддерживается повторяющимися встречами организма с ныне циркулирующими возбудителями A(H1N1) и A(H3N2) [48]. Продолжительность ГСТИ. По данным работы [18], у мышей, иммунизированных рекомбинантным NP, защита против летального челленджа вирусом A(H5N1) сохранялась до 5-6 мес. Введение мышам консервативных эпитопов вирусного белка M1 в липосомальной форме вызывало пролонгированную индукцию (6 мес) кроссреактивных CD8+ Т-клеток, специфичных к вирусам A(H1N1) и A(H3N2) [31]. Иммунизация мышей адъювантной вакциной типа A(H5N1) стимулировала кроссреактивные антитела к вирусу A(H1N1), которые сохранялись до 6 мес [27]. Однако по другим данным, мыши, инфицированные вирусом A(H3N2), оказались защищенными от летального челленджа вирусом A(H5N1) только в течение 1 мес [5]. Эпидемиологические наблюдения в период пандемии гриппа А(Н2№) показали, что защита людей от этого возбудителя, связанная с контактами с предшествующим подтипом А (H1N1), сохраняется от нескольких месяцев [19] до 3 лет [44]. Следовательно, в последнем случае ГСТИ влиял на заболеваемость не только в период первой волны пандемии в 1957 г., но и при развитии двух последующих волн. ГСТИ и противогриппозная вакцинация Имеются многочисленные публикации, посвященные индукции адаптивного иммунитета различными гриппозными вакцинами. В настоящем разделе приведены только те из них, которые содержат информацию о ГСТИ. В последнее время данное направление вакцинальной иммунологии гриппа активно развивается. Это связано с тем, что существующие сезонные гриппозные вакцины обеспечивают протекцию только против дрейфовых вариантов циркулирующих подтипов вируса гриппа А, а в случае возникновения угрозы пандемического распространения новых подтипов вируса приготовление традиционных гомологичных вакцин требует довольно много времени (до 6 мес). Поэтому сейчас особый интерес проявляется к оценке способности стимулировать ГСТИ как разными типами уже применяемых вакцин, так и разрабатываемыми вакцинами нового поколения с фокусированием внимания на индукции иммунного ответа к консервативным антигенным структурам вириона. Проведено изучение формирования ГСТИ при иммунизации сезонными живыми (ЖГВ) и инактивированными (ИГВ) гриппозными вакцинами. Вакцинация мышей сезонной ИГВ стимулировала ГСТИ в виде накопления перекрестно реагирующих CD8+ Т-клеток, специфичных к РА и NP вируса A (H5N2) [5], и антител к гемагглютинину H5 [58]. Вакцинация сезонной ЖГВ вызывала у мышей накопление IgM и IgG В-клеток, а также антител, специфичных к консервативному домену НА вируса A(H5N1) [12, 54]. Отмечена гораздо более высокая способность ЖГВ по сравнению с ИГВ стимулировать перекрестно реагирующие CD4+ и CD8+ Т-клетки памяти к разным подтипам вируса гриппа A [24, 47, 50, 60]. Это свидетельствует о том, что при угрозе пандемического распространения новых шифто-вых возбудителей гриппа A существующие ЖГВ могут быть использованы для экстренной профилактики заболеваний в период до создания гомологичных вакцин. В связи с известными событиями последних лет, связанными с распространением среди людей птичьего вируса A(H5N1) и вступлением в пандемическую циркуляцию вируса A(H1N1) с тройной рекомбинацией генома (фрагменты свиного, птичьего и человеческого вируса), в последнее время резко активировались экспериментальные исследования по созданию разных типов новых гетеросубтипических вакцин, способных защищать от широкого спектра возбудителей гриппа А. Испытаны на мышах ДНК-вакцины с аденовирусным вектором, экспрессирующие NP, M2 и NP + M2 [10, 55]. Эти препараты стимулировали накопление CD8+ Т-клеток и антител, специфичных к данным вирусным белкам. Кроме того, они защищали от летального челлен-джа новым пандемическим вирусом A(H1N1) и птичьим вирусом A(H5N1). Другую ДНК-вакцину, экспрессирующую те же белки, вводили мышам после иммунизации сезонной ЖГВ [38]. Такая схема значительно усиливала накопление в легких перекрестно реагирующих IgA и защищала от летального челленджа пандемическим вирусом A(H1N1) и вирусом A(H5N1). Создан вариант ДНК-вакцины, экспрессирующий иммунодоминант-ные эпитопы вируса лимфоцитарного хориоменинги-та, комплементарные перекрестно реагирующим CD8+ Т-клеткам [27]. Предварительная иммунизация мышей вирусом A(H1N1) с последующим введением этой вакцины приводила к узнаванию CD8+ Т-клетками HA и NA вирусов A(H1N1), A(H3N2) и A(H5N1), а также к формированию перекрестной защиты от их летальной дозы. Изучен ГСТИ при введении мышам липосомальной вакцины, включающей эпитопный участок M1, который узнается специфическими CD8+ Т-клетками [31]. Препарат индуцировал кроссреактивную популяцию данных клеток, проявлявших специфичность к вирусам A(H1N1) и A(H3N2). В эксперименте на животных апробированы адъювантные вакцины. Так, у мышей, иммунизированных наружным доменом M2 (M2e) в сочетании с алюминием, наблюдали высокие титры IgG к этому домену. Это способствовало повышению уровня защиты от летального челленджа вирусами A(H1N1) и A(H5N1). Вакцину, приготовленную из химерных вирусоподобных частиц, включающих HA и M1 вируса A(H1N1), вводили мышам вместе с адъювантом флагеллином [59]. Такая вакцина увеличивала накопление перекрестно реагирующих IgG2a и IgG2b (но не IgGj) к вирусу A(H3N2), а также специфичных к данному вирусу CD8+ Т-клеток. Иммунизация мышей вирусом H5N2 с адъювантом Фрейнда стимулировала перекрестно реагирующие антитела к вирусу A(H1N1) [27]. Проведено исследование по вакцинации мышей солюбилизированным цельным NP [8] или его тетрамер-ной формой [65]. Вакцинация приводила к продукции NP-специфических вируснейтрализующих антител и защищала от летального челленджа вирусами A(H1N1) и A(H3N2) даже при слабом накоплении специфических к NP CD8+ Т-клеток. Выраженность ГСТИ зависела от способа инактивации вирусов гриппа A [22]. Таким образом, в опытах на животных получены весьма обнадеживающие данные об индукции ГСТИ разными типами вакцин. Однако эти работы пока не вышли за рамки эксперимента. Заключение Постоянное внимание ученых к ГСТИ к вирусам гриппа А связано с комплексом причин - непрекращаю-щейся антигенной изменчивостью вируса, угрозой пандемического распространения новых подтипов, узкой антигенной специфичностью существующих вакцин, неясностями в ряде закономерностей эпидемического процесса при гриппе A, недостаточной информацией о факторах иммунитета, участвующих в развитии этого типа иммунитета. Накопленные эпидемиологические данные прямо или косвенно свидетельствуют о влиянии ГСТИ на эпидемический процесс в виде снижения тяжести инфекционного процесса при пандемическом распространении новых подтипов вируса гриппа А. Экспериментальные исследования ГСТИ на различных лабораторных животных подтверждают эти данные. Так, ГСТИ снижает патологические проявления гриппа. Кроме того, он обеспечивает частичную защиту животных при летальном челлендже. Основными факторами иммунитета, участвующими в ГСТИ, являются перекрестно реагирующие CD8+ Т-клетки (ЦТЛ) и В-клетки, секретирующие кроссреактивные вируснейтрализую-щие антитела. Доказано, что в ГСТИ задействованы ЦТЛ и антитела, проявляющие специфичность к внутренним белкам вириона NP и M2. Роль ЦТЛ и антител, специфичных к другим внутренним белковым структурам (NS1, NS2, белкам полимеразного комплекса), требует дополнительного изучения. Опубликованы данные о прямом участии в ГСТИ CD4+ Т-клеток. Скорее всего компонентами ГСТИ являются также у5-Т-клетки. Возможно, к этому причастны и другие субпопуляции Т-лимфоцитов. Доказана стимуляция кроссреактивных Т-клеток и антител при заражении животных практически всеми подтипами вирусов гриппа А. Активно разрабатываются разные типы универсальных вакцин, но эти исследования пока носят экспериментальный характер. Наиболее обнадеживающие результаты получены при испытании разных вариантов ДНК-вакцин с аденовирусным вектором. Клинические и экспериментальные данные свидетельствуют о более высокой способности ЖГВ в сравнении с ИГВ индуцировать ГСТИ на системном и локальном уровнях. Это открывает перспективу применения ЖГВ в качестве профилактического препарата «первого эшелона» при угрозе пандемического распространения нового подтипа вируса гриппа А. Оптимальным вариантом универсальной вакцины будет тот препарат, который сможет способствовать индукции у людей ГСТИ достаточно высокого уровня не менее чем на несколько месяцев.