Induction of Trained Immunity by BCG: Recent Data and Opinions

全文:

ГОРЬКИЙ ОПЫТ ПАНДЕМИИ COVID-19.

ВРЕМЯ МЕЖДУ ПОЯВЛЕНИЕМ SARS-COV-2 И ЭФФЕКТИВНОЙ ВАКЦИНОЙ

Несмотря на принятие многими странами решительных мер, пандемию COVID-19 не удалось сдержать, и осенью – зимой 2020 г. многие страны Северного полушария пережили вторую волну инфекции. Клинический спектр COVID-19 неоднороден: около 40% инфицированных людей не проявляли или почти не проявляли симптомов, тогда как у меньшинства инфицированных развивалась тяжелая пневмония с дыхательной недостаточностью, вплоть до летального исхода [1]. Полагают [2, 3], что инфекция SARS-CoV-2 станет эндемичной, и в дальнейшем вспышки будут происходить, например, в холодное время года. В последнее время, кроме того, сообщалось об эффективности ряда вакцин против COVID-19 (см., например, недавний метаанализ [4]). Тем не менее за время, прошедшее между появлением вируса и эффективной вакцинацией во всем мире, COVID-19 причинил страдания и смерть миллионам людей, а также привел к катастрофическим экономическим последствиям. Вакцинация остается самой реалистичной надеждой обуздать распространение вируса.

Важнейшим уроком, извлеченным из истории с COVID-19, является понимание, что при появлении новой пандемии потребуется несколько месяцев, прежде чем можно будет найти эффективный способ вакцинации, произвести достаточное количество доз и распространить среди населения развитых стран, и гораздо больше времени, чтобы вакцинировать все население мира. Время между появлением вируса и эффективной всемирной вакцинацией будет периодом страданий и смертей миллионов людей, а также катастрофических экономических последствий [5]. Поэтому остро стоит вопрос о неспецифической к конкретному патогену профилактической защите. В процессе пандемии COVID-19 были предложены альтернативные подходы к профилактике заболевания. И, естественно, возникла идея использовать известные свойства некоторых старых вакцин вызывать защиту от инфекций, отличающихся от заболевания, для защиты от которого они были созданы [6]. Вакцины, содержащие живые аттенуированные микроорганизмы, в частности, бацилла Кальметта – Герена (БЦЖ, Bacillus Calmette–Guerin), вакцины против кори, паротита и краснухи (КПК, Measles, mumps and rubella, MMR) и оральная вакцина против полиовируса (ОПВ, oral polio vaccine, OVP) по ряду наблюдений способны снижать смертность среди детей, помимо защиты от целевых заболеваний [7, 8]. Этот эффект получил название неспецифического защитного эффекта (НЗЭ, non-specific effects) [9].

ЗАЩИТА, ИНДУЦИРОВАННАЯ БЦЖ

Эпидемиологические обследования показали, что вакцинация БЦЖ значительно снижает младенческую смертность, что не может быть объяснено только снижением заболеваемости туберкулезом [9]. БЦЖ-индуцированная защита, по-видимому, обусловлена эффектами, в частности, против инфекций дыхательных путей [10], что также позже было подтверждено в рандомизированных исследованиях у взрослых [11, 12]. Эти клинические испытания были дополнены экспериментальными исследованиями, в которых изучались механизмы, с помощью которых БЦЖ вызывает эти защитные эффекты. Были получены данные, свидетельствующие о том, что в эту защиту вовлечен врожденный иммунитет и соответствующие клетки [13, 14]. Оказалось, что функциональные изменения моноцитов связаны с транскрипционным, эпигенетическим и метаболическим перепрограммированием предшественников миелоидных клеток у лиц, привитых БЦЖ [15]. Стало ясным, что долгосрочные изменения в фенотипе клеток врожденного иммунитета после вакцинации БЦЖ представляют собой то, что получило название “тренированный иммунитет” (ТРИМ). Имеются данные о том, что ТРИМ является (по крайней мере частично) механизмом, с помощью которого вакцинация БЦЖ вызывает защиту против вирусных инфекций [16]. В результате была выдвинута гипотеза о том, что вакцинация БЦЖ может использоваться в качестве профилактической меры против инфекции SARS-CoV-2.

Несколько эпидемиологических исследований давали основание считать, что в странах с программой вакцинации БЦЖ наблюдается более низкое число случаев заражения COVID-19 и более низкий уровень смертности [17–19]. Однако демографические, этнические и генетические различия между населением в разных странах, а также ряд других особенностей [20], различающих разные популяции, вызывают систематическую ошибку в таких анализах.

Гипотеза о профилактике COVID-19 с помощью БЦЖ получила поддержку благодаря исследованию [17]. Была исследована заболеваемость, вызванная инфекциями SARS-CoV-2 в большой когорте медицинских работников из системы здравоохранения Лос-Анджелеса. Почти треть добровольцев, участвовавших в исследовании, ранее прошли вакцинацию БЦЖ, которая сопровождалась заметно меньшим количеством (30–40%) диагнозов COVID-19, положительных результатов ПЦР-тестов с обратной транскрипцией COVID-19 и серопозитивных тестов на анти-SARS-CoV-2. Было показано, что вакцинация БЦЖ связана с меньшей заболеваемостью COVID-19, несмотря на то, что вакцинированная группа была немного старше и имела больше сопутствующих заболеваний. Симптомы, связанные с COVID-19, также были заметно менее тяжелыми в группе, вакцинированной БЦЖ, чем в невакцинированной. Интересно, что внутренний контроль показал, что такие положительные эффекты не были вызваны другими вакцинами, такими как вакцины против гриппа, менингококка или пневмококка, поэтому эффект, по-видимому, относится к иммунизации БЦЖ. Следует, однако, сказать, что число людей, которые не были вакцинированы против гриппа, было слишком малым, чтобы делать однозначные выводы [17]. Недавнее обследование лиц, привитых БЦЖ в течение последних двух лет [21], и одно клиническое исследование медицинского персонала, получившего вакцинацию БЦЖ во время первой фазы пандемии [22], согласуются с представлением о защитном действии БЦЖ против инфекции SARS-CoV-2.

Появившиеся в конечном счете вакцины на основе РНК от BioNtech-Pfizer и Moderna и российская аденовирусная вакцина “Гам-КовидВак” обеспечивают более 90% защиты от COVID-19, в том числе у пожилых людей [4, 23, 24]. Третья вакцина, основанная на аденовирусной платформе от Oxford-AstraZeneca, так же, по-видимому, обеспечивает защиту не менее 60% [4, 23]. Однако период перед их появлением является предостережением и аргументом в пользу необходимости продолжения исследований БЦЖ и других вакцин, вызывающих неспецифический защитный эффект. БЦЖ и, возможно, другие живые аттенуированные вакцины могли бы стать промежуточной вакцинацией в период между появлением нового патогена и разработкой конкретной вакцины, чтобы уменьшить страдания населения как от самой болезни, так и от ее экономических последствий.

РЕГУЛЯТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ ТРЕНИРОВАННЫМ ИММУНИТЕТОМ

Человека от инфекций защищают две ветви иммунной системы: врожденный и адаптивный иммунитет (для недавнего обзора см. [25]). Первый обеспечивает постоянную защиту от патогенов, в то время как второй запоминает характеристики индивидуальных патогенов, с которыми человек уже сталкивался. Традиционные вакцины нацелены на индукцию адаптивной иммунной системы антигенами определенных патогенов и требуют специальной вакцины для каждого нового патогена. Врожденная иммунная система, в свою очередь, играет ключевую роль в первичной обороне организма, пока активируется специфический (адаптивный) иммунный ответ. Она представляет собой набор механизмов, которые реагируют быстро и неспецифически на угрозы. Долгосрочные изменения в фенотипе клеток врожденного иммунитета могут привести к формированию ТРИМ. При первоначальном воздействии патогена или вакцины, индуцирующих ТРИМ (рис. 1), клетки врожденного иммунитета подвергаются метаболической перестройке и эпигенетическому перепрограммированию, приводя к усиленному и ускоренному ответу на вторичную гетерологичную стимуляцию.

Эпигенетическое перепрограммирование БЦЖ включает модификации гистонов, в частности приобретение активирующих меток H3K27ac и H3K4me3, снижение уровня метилирования гистонов (а именно репрессивной метки H3K9me3 на промоторах генов провоспалительных цитокинов, таких как IL6, TNFΑ и IL1B). Ацетилирование гистонов приводит к раскрытию хроматина. После инициирования в костном мозге клетки сохраняют метки ацетилирования на протяжении всей дифференцировки в лимфоидную или миелоидную линию, способствуя миелопоэзу [28].

После первого контакта с БЦЖ клетки претерпевают долгосрочные метаболические и эпигенетические изменения, приводящие к усилению иммунных реакций на последующие не связанные с ними стимулы. Изменения в уровнях метаболитов определяют активность ферментов модификации гистонов. Важные изменения происходят в системах гликолиза, окислительного фосфорилирования (OXPHOS), цикла TCA и липидного обмена. Индукция тренированного иммунитета также определяется на уровне метилирования ДНК в клетках врожденного иммунитета. Показано, что у вакцинированных БЦЖ лиц, у которых успешно развился ТРИМ, наблюдалась значительная потеря метилирования ДНК в промоторах генов, связанных с иммунитетом, по сравнению с невосприимчивыми [29].

Метаболические и эпигенетические процессы, участвующие в возникновении ТРИМ, тесно взаимосвязаны. Метаболическая перестройка поддерживает потребности в энергии и промежуточных метаболитах для эпигенетических и геномных изменений и напрямую модулирует активность эпигенетических ферментов.

ТРИМ, индуцированный БЦЖ, непосредственно влияет и на адаптивный иммунный ответ: тренированные моноциты продуцируют значительно больше провоспалительных медиаторов, таких как TNF, IL-1β и IL-6, а также проявляют повышенную экспрессию MHC-II, костимулирующих молекул (CD80/CD86) и повышают уровень аэробного гликолиза [30, 31]. Вследствие этого ТРИМ изменяет пластичность Т-клеток и может смещать баланс между Th1 и Th2 в сторону формирования цитотоксического Th1-ответа и между Treg и Th17 в сторону активации воспалительных реакций через Th17. Усиленная продукция IFN-γ Th1-клетками и IL-17 Тh17-клетками может взаимно влиять на функцию клеток врожденного иммунитета. Было показано, что выработка IFN-γ индуцирует ТРИМ в тканевых резидентных макрофагах [31]. В исследовании [32] было обнаружено, что применение вакцины БЦЖ предотвращает антителозависимое усиление инфекции после вакцинации против респираторного синцитиального вируса (RSV, respiratory syncytial virus) за счет формируемого ею ТРИМ и индукции изменений в Т-клетках. Авторы полагают, что БЦЖ, вводимая вскоре после рождения с последующей вакцинацией от RSV, может индуцировать тренированные макрофаги, тканевые резидентные Т-клетки памяти и специфические цитотоксические Т-лимфоциты. При этом использование только вакцины от RSV способствует развитию толерантности макрофагов, подавляя их эффекторные функции при вторичной стимуляции патогеном, а комбинация с БЦЖ предотвращает ее за счет формирования тренированных макрофагов, способных быстро реактивироваться в ответ на последующий стимул [32]. В другой работе [33] in vitro была показана обратимость иммунотолерантности, возникающей вследствие вакцинации от брюшного тифа (TVF, typhoid fever vaccine) с помощью механизмов ТРИМ, вызванных БЦЖ. Авторы показали, что БЦЖ не модулирует адаптивный иммунитет при TFV, но при этом частично предотвращает ингибирование врожденных иммунных реакций, вызванных TFV [33].

Использование БЦЖ в качестве предварительного бустера перед вакцинацией бесклеточной противококлюшной вакциной на выборке из здоровых добровольцев в рандомизированном клиническом исследовании [34] показало, что ТРИМ, индуцированный БЦЖ, усиливает продукцию противококлюшных специфических антител, противококлюшные-специфические реакции Th1-клеток и общую реакцию В-клеток памяти через 2 недели после иммунизации. Это наблюдение положительно коррелировало с повышением уровня продукции биомаркеров ТРИМ, таких так IL-1β и IL-6. Таким образом, БЦЖ вызывает устойчивые изменения в иммунной системе, связанные с неспецифическим ответом на инфекции, как на уровне врожденного тренированного иммунитета, так и на уровне гетерологичных реакций адаптивного иммунитета [35].

Недавнее фундаментальное исследование, проведенное большим коллективом авторов [36], дает следующую сводку разнообразных защитных эффектов, наблюдавшихся при вакцинировании БЦЖ:

1. При применении в виде однократной дозы БЦЖ усиливает антимикобактериальную реакцию организма, защищающую от туберкулеза, хотя и с различной эффективностью в зависимости от человека и географического региона.
2. БЦЖ может обеспечить состояние повышенной реактивности врожденной иммунной системы и может увеличить общую выживаемость детей в развивающихся странах, хотя этот результат не был последовательно воспроизведен.
3. БЦЖ может обеспечить частичную защиту от респираторных инфекций: SARS-CoV-2, гриппа, RSV (респираторно-синцитиальный вирус), Staphylococcus aureus, Escherichia coli и Streptococcus pneumoniae, малярии и некоторых вирусов [37–39]. Это направление представляется особенно важным, поскольку именно респираторные инфекции являются одной из наиболее вероятных причин будущих пандемий [40, 41]. Известно, в частности, что эпидемические пики совместно циркулирующих респираторных вирусов в зимне-весенние сезоны могут быть синхронными и асинхронными [42]. Наличие временны́х закономерностей в эпидемиях, вызванных некоторыми респираторными вирусами, позволяет предположить, что они могут негативно взаимодействовать друг с другом. Это может быть результатом влияния врожденной иммунной памяти. Во время пандемии COVID-19 было снижено распространение большинства респираторных вирусов, а после отмены противоковидных санитарных мер циркуляция возобновилась в необычные периоды [42]. Повышение врожденного иммунитета может иметь важное значение для разработки новых и эффективных противопаразитарных вакцин [43].

Помимо защитных свойств от инфекционных процессов, БЦЖ показывает положительные результаты при применении для терапии некоторых онкологических заболеваний, таких как рак мочевого пузыря [44], рак желудка, простаты, легких [45, 46]. В последние четыре десятилетия БЦЖ активно используется для лечения немышечного инвазивного рака мочевого пузыря. За этот период применения данного метода лечения было установлено, что он не только эффективен, но и имеет преимущества перед внутрипузырной химиотерапией. В отличие от нее, данный метод существенно снижает не только вероятность рецидива, но и риск его прогрессирования, что подтверждает его значительную эффективность в долгосрочной перспективе [47]. В своем применении для лечения рака мочевого пузыря БЦЖ является наиболее успешным на сегодняшний день примером микробиологического лечения рака [48].

Хотя многочисленные обзоры по врожденной иммунной памяти подробно описывают механизм тренированного иммунитета, их индукторы и роль эффекторных иммунных клеток, в обзоре [36] впервые рассматриваются новые экспериментальные модели тренированного иммунитета и последние достижения, которые позволяют удовлетворить повышающийся спрос на широкий спектр защитных средств от респираторных патогенов. В этом контексте в обзоре подчеркивается интеграция обученных индукторов иммунитета с антигенами для придания свойств врожденной и адаптивной иммунной памяти для создания вакцин следующего поколения. Этот подход к гибридной вакцинации может быть использован для удовлетворения потребности в разработке быстрых и эффективных стратегий иммунизации и обладает огромным потенциалом для изменения парадигмы профилактики против возникающих пандемий [37].

Чтобы исследовать эту проблему детально, упомянутая группа авторов [36] вакцинировала БЦЖ 323 здоровых добровольца и проанализировала влияние на иммунную систему. Основываясь на увеличении неспецифической продукции цитокинов клетками иммунной системы при их активации микробными стимулами на 90 день после вакцинации БЦЖ, испытуемых разделили на две группы: 213 человек были определены как способные к обучению врожденного иммунитета (responders, “респондеры”), а 78 – как неспособные (nonresponders, “нереспондеры”). Авторы обнаружили, что индукция тренированного иммунитета была наиболее эффективной у людей с дремлющим (dormant) врожденным иммунитетом на момент иммунизации, что отражалось в характерном состоянии эпигенетических клеток, предсказывающем реакцию на вакцину. Оказалось, что у “нереспондеров” уже была более высокая исходная иммунная готовность, чем у “респондеров”.

Клетки нативной иммунной системы у тех людей, которые реагируют на вакцинацию БЦЖ, переключаются от пассивного, покоящегося (dormant) состояния к активному состоянию [36, 49]. У тех же, которые не реагируют, эти клетки и до вакцинации находятся в хотя бы частично активированном состоянии. Испытуемые с конденсированным до вакцинации хроматином в генах, участвующих во врожденном иммунитете, демонстрировали сильный тренированный иммунитет, индуцированный БЦЖ, и приобретали открытый хроматин в этих генах, в то время как “нереспондеры” несли такой открытый хроматин до вакцинации БЦЖ без дальнейшего усиления иммунных реакций после вакцинации. Это открытие объясняет, как эпигенетика позволяет иммунным клеткам переключаться между различными уровнями иммунной готовности для эффективной защиты организма от патогенов, минимизируя при этом возможность возникновения излишних и патологических иммунных ответов.

Конечно, нужно иметь в виду, что индивидуумы крайне вариабельны, и нельзя точно предсказать, какой эффект может оказать индукция врожденной иммунной системы на данного конкретного человека. Этой изменчивости способствовали как генетические факторы, так и факторы окружающей среды, но наиболее интересные различия наблюдались в эпигенетических состояниях иммунных клеток. Эпигенетические состояния клеток, реализуемые посредством изменений в доступности хроматина, которые облегчают или затрудняют активацию генов, отражают регуляторную пластичность клетки и ее способность быстро реагировать на изменения в окружающей среде, что делает их вероятными кандидатами на регулирование тренированного иммунитета.

Результаты авторов [36], по их мнению, показывают, что люди могут быть сильными “респондерами” на врожденный иммунный ответ, но слабыми на адаптивный ответ на вакцинацию БЦЖ, и наоборот. Другими словами, врожденная и адаптивная иммунная память представляется в значительной степени независимыми биологическими процессами, каждый из которых управляется отдельными регуляторными механизмами. Эти фенотипические эффекты связаны с эпигенетическим состоянием клеток (рис. 1), связанным с доступностью хроматина и определяющим активацию генов, приводящую в конечном счете к быстрой реакции клеток на изменения в окружающей среде.

 

Рис. 1. Тренированный иммунитет опосредован метаболической и эпигенетической перестройкой в клетках врожденного иммунитета, что приводит к увеличению транскрипции генов и защите хозяина от гетерологичных патогенов. После первого контакта с живым или живым ослабленным патогеном врожденный иммунный ответ приходит в “тренированное“ состояние, готовое к усилению после второй инфекции. Наивная, нестимулированная клетка (1) демонстрирует сильно конденсированный хроматин. Ее первичная стимуляция приводит к эпигенетическим модификациям хроматина (таким как ацетилирование гистонов (Ac) или метилирование (Me)), которые способствуют разворачиванию хроматина и облегчают транскрипцию генов (2). Эти эпигенетические изменения могут сохраняться или могут быть устранены лишь частично после прекращения действия раздражителя (3) и, таким образом, могут генерировать устойчивую и запоминаемую врожденную иммунную память, реализуемую в ответ на вторичный воспалительный стимул (4) (по мотивам [5, 26, 27]).

 

Эти результаты дают не только новое представление о возможном новом поколении универсальных вакцин, но и могут составить основу будущих новых терапевтических средств, которые целенаправленно пробуждают дремлющую иммунную систему [50, 51]. В частности, можно думать о реактивации подавленной иммунной системы у пациентов, больных раком. Несколько фармацевтических компаний уже ищут способы вызвать тренированный иммунитет, не полагаясь на вакцину БЦЖ [8, 52].

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Включение модуляторов ТРИМ в современные вакцинные технологии имеет значительные последствия для разработки вакцин. Используя врожденную иммунную память в составах вакцин следующего поколения, мы потенциально можем повысить эффективность вакцин против различных инфекционных заболеваний, что приведет к улучшению контроля заболеваний и их профилактики.

Эффективность живых вакцин может быть значительно усилена с помощью генетических технологий. Такие попытки активно предпринимаются [53–57]. Будущие исследовательские усилия должны быть сосредоточены на оптимизации интеграции индукторов ТРИМ в составы вакцин, понимании активируемых путей и механизмов их действия, а также оценке их долгосрочного воздействия на иммунные реакции. Было показано, что ТРИМ стимулируется в костном мозге и периферических тканях. Однако различия в индукции ТРИМ на разных уровнях, таких как роль тренированных периферических, тканевых резидентов или клеток-предшественников, требуют детального исследования.

Важно иметь в виду, что помимо полезных эффектов, ТРИМ может приводить к гиперактивации иммунных клеток. Для изучения побочных эффектов, связанных с индукторами ТРИМ, необходима тщательная доклиническая и клиническая оценка, чтобы избежать потенциальной иммунопатологии или вмешательства в специфическую иммунную память. На данном этапе совместные усилия иммунологов, вакцинологов и клиницистов необходимы для разработки и проведения хорошо контролируемых клинических испытаний для оценки эффективности и безопасности вакцин на основе ТРИМ. Кроме того, изучение комбинаторных подходов, таких как стратегии, сочетающие индукторы ТРИМ со специфическими антигенами, могло бы еще больше повысить эффективность вакцины.

 

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 22-14-00308, https://rscf.ru/project/22-14-00308/.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

作者简介

I. Alekseenko

National Research Center “Kurchatov Institute”; Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: edsverd@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow, 123182; Moscow, 117997

L. Kondratyeva

National Research Center “Kurchatov Institute”; Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: edsverd@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow, 123182; Moscow, 117997

I. Chernov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: edsverd@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow, 117997

E. Sverdlov

National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: liakondratyeva@yandex.ru
俄罗斯联邦, Moscow, 123182

参考

补充文件