• Co już wiemy o koronwirusach i COVID-19.
• Czy jest szansa na uzyskanie dłużej odporności poszczepiennej.
• Dlaczego największe znaczenie mają mechanizmy odpowiedzi swoistej nabytej.
• Jak dobrze zrozumieć rolę limfocytów T w budowaniu odporność.
• Czy organizm ludzki może zareagować odpornością krzyżową również na koronawirusa SARS-CoV-2.
• Jakie choroby zakaźne prowadzą do wytworzenia komórek pamięci, i odwrotnie – które z nich pozostawiają po sobie ślad na całe życie.

Koronawirusy stanowią dość liczną rodzinę osłonkowych RNA-wirusów, mogących zakażać zwierzęta, w tym również i ludzi, powodując choroby układu oddechowego, a czasem także układu pokarmowego. Do dziś opisano sześć ludzkich koronawirusów (ang. human coronaviruses ‒ HCoVs): dwa alfa-koronawirusy ‒ HCoV-229E i HCoVs-NL63 oraz cztery beta-koronawirusy ‒ HCoVs-OC43, HCoVs-HKU1, SARS-CoV i MERS-CoV. Nauka przekonuje, że nowe „gatunki” koronawirusów mogą dość regularnie i okresowo pojawiać się u ludzi, tak z uwagi na wysoką częstość występowania koronawirusów na świecie, jak również ich dużą różnorodność genetyczną i wysoką zdolność do rekombinacji, ale także wysoce prawdopodobne interakcje człowiek-zwierzę. Spośród znanych koronawirusów aż cztery powodują przeziębienia u ludzi, zwykle niegroźne, przy czym wytwarzająca się odporność na nie jest krótkotrwała.

Historia COVID-19 rozpoczęła się pod koniec grudnia 2019 roku w chińskim mieście Wuhan. To właśnie wtedy zaobserwowano pierwsze niepokojące przypadki nietypowego zapalenia oskrzeli i płuc u pacjentów, których łączył fakt przebywania w ostatnim czasie na terenie słynnego w prowincji Hubei rynku owoców morza. Nowy patogen, który finalnie uzyskał nazwę koronawirusa SARS-CoV-2, dość szybko został wyizolowany od chorych i poprawnie zidentyfikowany przez pracowników lokalnego szpitala za pomocą wypracowanego wcześniej mechanizmu szybkiego reagowania na wypadek „zapalenia płuc o nieznanej etiologii”. Taka procedura została ustanowiona niedługo po wybuchu epidemii SARS w 2003 roku. Tym razem jednak wirus okazał się być bardziej zakaźny, a tempo jego rozprzestrzeniania wyjątkowo szybkie. W dniu 30 stycznia 2020 roku Światowa Organizacja Zdrowia (World Health Organization ‒ WHO) oświadczyła, że choroba, która do tego momentu zyskała już oficjalną nazwę COVID-19, jest „stanem zagrożenia zdrowia publicznego o zasięgu międzynarodowym”. Gwałtownie rosła liczba zakażeń w wielu krajach świata, błyskawicznie lokalizując się na wszystkich kontynentach, co sprawiło, że w dniu 20 marca 2020 został ogłoszony przez WHO stan pandemii.


Nie było tajemnicą, iż szybkie powstrzymanie pandemii będzie możliwe nie tylko za sprawą skutecznego leczenia, ale przede wszystkim przez możliwie jak najszybsze wynalezienie i wprowadzenie skutecznych szczepień ochronnych. Badania nad szczepionką przeciwko chorobie COVID-19 rozpoczęły się właściwie natychmiast po opublikowaniu sekwencji genomu koronawirusa SARS-CoV-2, co miało miejsce dokładnie 11 stycznia 2020 roku. Na szczęście wiele firm farmaceutycznych i biotechnologicznych już wcześniej pracowało nad podobnymi szczepionkami, a przynajmniej możliwymi do zastosowania technologiami, dlatego pierwsze prototypy tak pożądanych produktów były gotowe do rozpoczęcia badań klinicznych na ludziach w rekordowym tempie – już pod koniec marca 2020 roku. Na tym etapie było jednak wiele niejasności, np. która technologia jest w tym przypadku najskuteczniejszą, aby w jak najkrótszym czasie zmaksymalizować szanse na opracowanie bezpiecznej i skutecznej szczepionki przeciw COVID-19. Niektóre koncerny farmaceutyczne, takie jak Pfizer, zdecydowały się na testowanie jednocześnie kilku wersji, szczególnie w przypadku technologii mRNA testowano kilka opracowanych wcześniej konstruktów. Klasyczne szczepionki, które znamy już od wielu dekad, wykorzystują białka do wywołania odpowiedzi immunologicznej, całe atenuowane patogeny lub jedynie ich elementy, w tym kwasy nukleinowe. Jednakże szczepionki oparte na technologii wykorzystującej mRNA nie zawierają żadnego gotowego antygenu, ale dokładny przepis, instrukcję na jego przygotowanie, zapisane w postaci niewielkiego i odpowiednio zabezpieczonego przed szybką degradacją mRNA. Antygenem zakodowanym w stworzonej wtedy pierwszej skutecznej szczepionce przeciwko chorobie COVID-19 jest białko S (ang. spike protein, czyli białko kolca) wirusa SARS-CoV-2.

Z perspektywy czasu nie mamy żadnych wątpliwości, iż opracowanie szczepionki przeciwko COVID-19, obok dystansu społecznego, noszenia maseczek i środków ochrony osobistej, miało kluczowe i nadrzędne znaczenie dla powstrzymania pandemii.

Opracowanie skutecznej szczepionki w tak krótkim czasie było też swego rodzaju przełomem. Szczepionka idealna powinna stymulować zarówno odpowiedź humoralną, czyli tę odpowiedź związaną z produkcją przeciwciał, jak również odpowiedź komórkową, czyli tę związaną z aktywacją i działalnością limfocytów T. Wydaje się, z perspektywy coraz większej liczby ukazujących się wyników badań, że wszystkie obecne dzisiaj na rynku szczepionki przeciwko chorobie COVID-19 spełniają te kryteria. Jednakże zarówno w przypadku tych szczepionek, jak również innych preparatów, które znamy i stosujemy od dawna jako szczepionki ochronne w przypadku innych chorób, okres utrzymywania się ochrony zapewnianej przez konkretną szczepionkę pozostaje nieznany, a obecnie opublikowane wyniki mogą się jeszcze zmienić – liczne badania są w progresie. Wiemy już, że dla większości z nas niezbędne są kolejne dawki szczepienia, a kwestią sporną pozostaje wciąż ewentualność corocznych szczepień, tak jak ma to miejsce w przypadku szczepienia przeciwko grypie. Wydaje się jednak, że wirus SARS-CoV-2 mutuje z nieco mniejszą intensywnością, co daje nadzieje na uzyskanie nieco dłużej odporności poszczepiennej.


Do najważniejszych mechanizmów odporności nieswoistej, która stanowi naszą ewolucyjnie starszą linię obrony przed nieznanymi patogenami, należą m.in.: wydzielanie cytokin prozapalnych przez aktywowane fagocyty, wydzielanie czynników chemotaktycznych, zwabiających limfocyty do miejsca obecności patogenów, fagocytoza i prezentacja antygenów przez makrofagi. Jednakże w przypadku odpowiedzi na COVID-19, zarówno poszczepiennej, jak i wytwarzanej w odpowiedzi na szczepienie ochronne, największe znaczenie mają mechanizmy odpowiedzi swoistej nabytej. Zarówno odpowiedź humoralna, jak i komórkowa jest już solidnie opisana w literaturze przedmiotu, choć bardzo wiele pozostaje pytań bez odpowiedzi.

I tak dla przykładu wiemy już, że istnieją osoby, które nie odpowiadają niemalże wcale na zastosowaną szczepionkę – nie wytwarzają przeciwciał albo przeciwciała te błyskawicznie zanikają. Nie wytwarzają się również komórki pamięci. U niektórych osób zaobserwowano z kolei hiperprodukcję przeciwciał już po pierwszej dawce, a w dodatku utrzymywały się one nawet wiele miesięcy po szczepieniu. Nie jest do dziś jasne, czy tak skrajne możliwe formy odpowiedzi układu odpornościowego są związane na przykład z posiadanymi przez te osoby wariantami pewnych genów związanych m.in. z produkcją przeciwciał bądź funkcjonowaniem układu immunologicznego per se. Być może odpowiedzi na wiele z tych pytań przyniosą najbliższe miesiące, bo wiele trwających globalnie badań naukowych powoli zbliża się ku końcowi.

Przeciwciała

Odpowiedź humoralna, na której skupimy się najbardziej w pozostałej części artykułu, jest warunkowana przez przeciwciała produkowane przez limfocyty B. Wiadomo już, że produkcja przeciwciał jest związana przede wszystkim z trzema regionami genomu człowieka, w których zlokalizowane są rodziny genów:

→ H na chromosomie 14 (ta rodzina genów koduje przede wszystkim łańcuch ciężki),
→ κ (kappa) na chromosomie 2 (tutaj kodowane są elementy łańcucha lekkiego),
→ λ (lambda) na chromosomie 22 (również elementy łańcucha lekkiego).

Ludzkie przeciwciała są zbudowane z łańcuchów ciężkich i lekkich, w których skład wchodzą część stała (ang. constant ‒ C) oraz zmienna (ang. variable ‒ V). Każdy z regionów zawiera wiele genów, których ekspresja podlega precyzyjnej regulacji – dla przykładu region genomu, w którym zlokalizowana jest rodzina genów kodujących elementy łańcucha ciężkiego, zawiera aż 65 poznanych genów dla segmentu V, 27 genów dla segmentu D (ang. diversity) oraz 6 genów dla segmentu stanowiącego łącznik (ang. joining ‒ J). Związane z produkcją przeciwciał regiony genomu ludzkiego charakteryzują się bardzo wysoką zmiennością, zarówno międzyosobniczą, jak i pomiędzy populacjami, przy czym mamy tu na myśli nie tylko zmienność wynikającą z pojedynczych mutacji punktowych, zmian pojedynczego nukleotydu, ale również znacznie większych CNVs (ang. copy numer variants). Dla jednego z genów należącego do jednej z tych rodzin opisano i sklasyfikowano już ponad 420 różnych alleli.

Tę wyjątkową i gigantyczną zmienność najlepiej ilustruje przykład regionu genomowego IGHV (należący do regionu rodziny genów H), który ma około 1 Mb długości: zaobserwowano, że pomiędzy dwiema statystycznymi osobami populacji europejskiej ten region może się różnić o ponad 100 Kb długości, a także średnio 2800 SNPs i/lub CVNs. Te trzy regiony genów związane z odpornością, zaraz obok regionów KIR (ang. killer cell receptor regions) i HLA (ang. human leukocyte antigens), cechują się najwyższą zaobserwowaną w ludzkim genomie heterozygotycznością. Bardzo długie powtórzenia trójek lub tych samych nukleotydów to również standard wszystkich wymienionych regionów genomu, przez co sekwencjonowanie regionów genomu człowieka związanych z odpornością obarczone jest zawsze dużym ryzykiem błędu. Wszelkiego rodzaju mutacje tych genów, a także typowe dla nich rearanżacje dają właściwie nieograniczone możliwości produkcji specyficznych przeciwciał. Według najostrożniejszych szacunków możliwe są setki tysięcy takich kombinacji, choć średnio przyjmuje się minimum 1015 możliwości. Na poziomie molekularnym proces ten uznawany jest za jeden z najmniej poznanych, co w dużej części wynika z niedoskonałości dostępnych metod badawczych. Niezmiennie analiza regionów genomu związanych z odpornością uważana jest za niezwykle trudną i pracochłonną. Nie ułatwia tego konieczność odróżnienia zmienności międzyosobniczej od ewentualnie występujących wariantów patogennych, co być może przestanie stanowić problem wraz ze wzrastającą liczbą projektów skupiających się na sekwencjonowaniu pełnych genomów przedstawicieli różnych populacji świata. Nie bez znaczenia pozostają także nowe metody sekwencjonowania, w szczególności sekwencjonowanie trzeciej generacji oraz stale rosnące możliwości analizy bioinformatycznej i tworzonych narzędzi dedykowanych do tego typu analiz.

Niezwykle interesującym odkryciem, nie tylko na poziomie molekularnym, było potwierdzenie przypuszczenia, że na pewne typy patogenów odpowiadamy w bardzo podobny sposób, do tego stopnia, iż wytwarzane przeciwciała mają identyczne sekwencje aminokwasowe.

Stanowi to niewątpliwe potwierdzenie sensowności wykonywania szczegółowych analiz na dużych kohortach, a także konieczności reanalizy już istniejących zbiorów danych. Dla przykładu: zaobserwowano, że związany z produkcją przeciwciał gen IGHV1-69 ulega ekspresji przede wszystkim w dojrzałych limfocytach B. Jednakże znacznie częściej posiada on allel F54 (kodujący fenyloalaninę w pozycji 54 łańcucha białkowego), jeśli są to limfocyty B związane z przewlekłą białaczką limfocytową (ang. chronic lymphocytic leukaemia ‒ CLL), natomiast allel L54 (kodujący w tym miejscu leucynę) jest obecny częściej, jeśli są to limfocyty B obecne w przypadku infekcji wirusa HIV. Ten drugi allel genu, L54, znacznie częściej występuje również w komórkach pamięci, podczas gdy allelu F54 nie zaobserwowano w tej grupie komórek. Wykazano również, że ten sam gen i jego różne allele odgrywają istotną rolę w przypadku produkcji przeciwciał oraz ich zdolności do neutralizacji wirusa MERS-CoV, co sugeruje możliwą rolę również w przypadku SARS-CoV-2.

Jakości produkowanych przeciwciał

Kolejny problem, o którym należy pamiętać, dotyczy jakości produkowanych przeciwciał. Znaczna część chorych po przebyciu infekcji COVID-19 posiada we krwi stosowne przeciwciała. Okazuje się jednak, że nie wszystkie one są tak samo skuteczne. Najbardziej pożądaną grupą są tzw. przeciwciała neutralizujące, mające zdolność oddziaływania bezpośrednio na cząstkę wirusa.

Jedno z ciekawszych badań w tym obszarze, przeprowadzone w Chinach pod koniec pandemii na 175 pacjentach, którzy przechorowali COVID-19, wykazało, że aż 30% badanych osób miało bardzo niski poziom przeciwciał neutralizujących. Dodatkowo osoba posiadająca przeciwciała przeciw SARS-CoV-2 i sama pozostając bez objawów infekcji, może nadal być nosicielem wirusa i transmitować go na inne osoby. Eksperci z amerykańskiego NIH informują w swoim doniesieniu o wykryciu przynajmniej 55 różnych przeciwciał produkowanych w badanej populacji chorych na COVID-19 w odpowiedzi na infekcję SARS-CoV-2. Interesującym faktem jest również odkrycie, iż większość przeciwciał tej grupy skierowana jest przeciwko epitopowi S2 wirusowego białka kolca, zawierającemu resztę aminokwasową K814. Te przeciwciała nie mają jednak charakteru neutralizującego.