新型コロナウイルス感染症（COVID-19）に対する抗体およびワクチン研究：マウスモデルの役割
現在の新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の状況は依然として深刻であるが、7月以降、SARS-CoV-2の中和抗体およびワクチンの第II相臨床試験において多くの成果が得られている。世界中の科学者たちの努力により、今後もCOVID-19との闘いにおける研究進展が見込まれる。
本稿では、中和抗体の設計およびSARS-CoV-2ワクチンの開発に関するよくある質問について解説する。中和抗体研究とは何か？SARS-CoV-2ワクチンの現在の進捗は？動物モデルを用いたワクチンの安全性および有効性の検証方法は？
1. 中和抗体研究
ウイルスが人間の宿主に侵入すると、体はウイルスの損傷を軽減し、細胞への侵入を防ぐために、ウイルスと細胞外受容体との相互作用を阻害する中和抗体を産生する。
一般的に、感染症A類に該当するCOVID-19に関する研究は、生物安全レベル3（BSL-3）施設で実施される必要がある。しかし、ウイルス学者らは偽ウイルス（pseudovirus）が、ウイルス中和抗体（NAb）およびワクチンの研究において極めて有用であることを発見した。偽ウイルスは伝染性を持たないため、実際のウイルスと比べて実験環境の規制が緩やかであり、BSL-2施設で十分な研究が可能である。
偽コロナウイルスに対する中和抗体の研究は、2004年の重症急性呼吸器症候群（SARS）の流行に遡る。2004年のSARSの急激な流行は世界的な恐慌を引き起こしたが、数か月のうちに脅威は収束した。SARSの危機が迅速に解決したため、多くの研究プロジェクトは資金の終了により中止された。しかし、これらの研究はSARS-CoV-2に関する現在の研究にとって貴重な参考資料となり、ワクチンおよび治療戦略の早期進展を可能にした。
重要な事例として、ロンドン大学のロビン・A・ウィス教授らの研究グループが『Emerging Infectious Diseases』に発表した「Pseudotypesを用いたSARSコロナウイルスに対する中和抗体反応の縦断的解析」がある。この論文は、SARS-CoVスパイクタンパク質Sが中和抗体（NAbs）の主要な標的であることを示した。レトロウイルスS関連偽ウイルスを構築することで、SARS-CoVに対する中和抗体が成功裏に開発された。この抗体は、SARS患者由来の血清においてもSARS-Sタンパク質に対する中和効果が確認された。この研究は、自然感染時のNAbsの有効性評価およびワクチンの前臨床評価において極めて重要である。さらに、マウスおよびハムスターモデルを用いた前臨床研究では、NAbsが生ウイルスの侵入を顕著に抑制することが確認された。これらの結果は、NAbs薬剤がヒトにおけるウイルス感染に対する抵抗性を高める可能性を示しており、SARS-Sタンパク質に対するNAbsの具体的な実装にデータが支持している。
近年の事例として、2020年3月、中国医学科学院病原微生物研究所が『Nature Communications』に論文を発表した。この研究では、偽ウイルスシステムを用いて、SARS-CoV-2-Sタンパク質が細胞侵入時に示す特徴を同定し、SARS-CoV-2とSARS-CoVとの間の免疫クロスリアクティビティを解明した。ラントウイルスSARS-CoV-2-S偽ウイルスシステムを用いて、Huh7、Vero81、LLCMK2、Calu3などの細胞がこの偽ウイルスに対して感受性を示すことを確認した。また、ウイルスがACE2受容体に結合した後の細胞内への侵入経路についても詳細に記述されている。SARS-Sタンパク質は典型的なI型ウイルス融合タンパク質であり、S1およびS2サブユニット間のプロテアーゼ切断を介して融合能が活性化される。ウイルス株および細胞タイプにより、furin、trypsin、cathepsin、膜貫通セリンプロテアーゼ2（TMPRSS-2）、TMPRSS-4、またはヒト気道トリプシン様プロテアーゼ（HAT）などの宿主プロテアーゼによって切断が行われる。これらのプロテアーゼが標的細胞に存在するかどうかが、コロナウイルスが細胞膜経由で侵入するか、あるいはエンドサイトーシス経由で侵入するかを決定する。
（Xiuyuan Ouら 2020）
さらに、可溶性hACE2を用いたフローサイトメトリーおよび競合阻害実験により、SARS-CoV-2およびSARS-CoVのSタンパク質がともにhACE2をウイルス結合の受容体として利用していることが確認された。
コロナウイルスのSタンパク質は、ウイルスの病原性、組織嗜性、および宿主範囲を決定する主要な因子であり、中和抗体およびワクチン設計の主要な標的となっている。
（Xiuyuan Ouら 2020）
（Yunlong Caoら 2020）
60名の回復患者の高スループットscRNA/VDJ-seq解析により、8,558個のIgG1+抗原結合クローン型を同定し、14種の効果的なSARS-CoV-2中和抗体を発見した。さらに、SARS-CoV-2およびSARS-CoV-2 VSV偽ウイルスシステムを用いた検証により、最も効果的な中和抗体としてBD-368-2が同定された。この抗体は、hACE2トランスジェニックマウスにおけるSARS-CoV-2感染に対して、治療的および予防的効果を示した。
同時に、バイオインフォマティクス解析を用いてモノクローナル抗体（mAb）のCDR3H構造を予測した。実験的検証の結果、SARS-CoV中和抗体m396と非常に類似したCDR3H構造を持つmAbは、SARS-CoV-2に対して非常に高い中和効果を示した。
（Yunlong Caoら 2020）
（Zhe Lvら 2020）
2. SARS-CoV-2ワクチンの開発進捗
2020年7月21日現在、世界中で25種類の新型コロナウイルスワクチンが臨床試験中であり、そのうち少なくとも4種が第III相臨床試験に進んでいる。
疫学的予防接種とワクチンの概要
ワクチンは、病原性微生物を人工的に不活化・弱毒化した生物学的製剤であり、感染を引き起こさないが、免疫反応を誘導する。これにより、特定の感染症に対する獲得免疫が得られる。人工的免疫誘導は、危険性の低い形でウイルス抗原を投与することで、疾患全体の致死率を低下させる目的を有する。従来の人工免疫は、活性免疫と受動免疫に大別される。活性免疫ワクチンは、不活化、弱毒化、およびトキソイドの3種類に分けられる。受動免疫は、血漿や血清、ヒト免疫グロブリン製剤、サイトカイン製剤、モノクローナル抗体（MAb）製剤などを通じて抗体を移行する方法である。両方の免疫法は、体の免疫力を高め、感染症の発生を抑制する効果がある。
科学技術の進展により、ワクチンの製造方法にも多くの革新がもたらされた。製造法に応じて、現在のワクチンにはサブユニット、コンジュゲート、合成ペプチド、および遺伝子工学的ワクチン（再組合せ抗原、再組合せベクター、DNA-RNA、転換植物など）が含まれる。
2020年7月までのCOVID-19ワクチンの最新動向
2020年7月14日、米国モダerna社が開発したmRNA-1273ワクチンが、新たな論文で有望な結果を発表した。100mg投与で、人体において優れた中和抗体反応およびTh1偏向の細胞免疫反応を誘導し、比較的軽微な副反応が報告された。現在、臨床試験が進行中である。
7月20日、オックスフォード大学の陳薇（チェン・ウェイ）学術院院士および軍事医学科学院チームが開発したアデノウイルスベクター型ワクチンChAdOx1 nCoV-19（AZD1222）の第II相臨床試験結果が発表された。この研究では、アデノウイルスAd5ベクター型のCOVID-19候補ワクチンの有効性を評価し、免疫原性が有意に高く、安全性も良好であることが確認された。また、今後の研究に向けた適切な投与量も決定された。ChAdOx1 nCoV-19は、体液免疫および細胞免疫の両方を誘導した。この結果は、現在進行中の第III相臨床試験での大規模評価を支持するものである。
さらに、7月20日、ドイツのバイオNTech社および米国他機関は、mRNAワクチンBNT162b1の第1/2相臨床試験結果をmedRxivプレプリントサーバーに公開した。この研究では、リピッドナノ粒子を用いたmRNAワクチンが、受検者に細胞免疫および体液免疫を誘導することを示した。しかし、同社が開発した他の3種のBNT162RNAワクチン候補について評価した結果、BNT162b2およびBNT162b1は同等に安全かつ有効であることが判明した。最終的に、7月27日、ファイザーおよびバイオNTechは、前臨床および臨床試験の包括的なデータ（免疫応答および耐容性パラメータを含む）に基づき、BNT162b2を第2/3相試験に進める候補ワクチンとして選定した。
抗体依存性感染増強（ADE）の理解
こうした連続的な成果発表は、科学技術の急速な進展を反映している。しかし、ワクチンの安全性および有効性を評価する過程において、抗体依存性感染増強（ADE）の可能性を考慮する必要がある。
では、ADEとは何か？1964年、Hawkesらは、アーボウイルス研究において「抗体依存性感染増強」の仮説を提唱した。ADEは、低濃度の免疫血清においてウイルスの複製が抑制されるのではなく、促進される現象として現れる。これはデング熱およびデング熱ショック症候群においても確認されている。デングウイルスの1型に感染した人は、他の型に対するウイルスを効果的に不活性化できない免疫反応を示すため、ウイルスが免疫抑制を回避し、より重症な感染を引き起こす。COVID-19においても、この現象が生じる可能性が懸念されている。
a. 抗体によるウイルス中和の過程では、受容体結合ドメイン（RBD）およびウイルススパイクタンパク質の他の領域に結合する中和抗体が、ウイルスがACE2受容体に接着するのを防ぐ。
b. 抗体依存性感染増強（ADE）では、低品質・低量・中和能力のない抗体が、抗原結合領域（Fab）でウイルスに結合する。モノサイトまたはマクロファージに発現するFc受容体（FcR）が抗体のFc領域に結合し、ウイルスの細胞内への侵入およびその後の感染を促進する。
c. 抗体媒介免疫増強の過程では、低品質・非中和性抗体がウイルスに結合する。Fc領域が受容体に結合すると、FcRがシグナルを発信し、プロ炎症性サイトカインが上昇、抗炎症性サイトカインが低下する。免疫複合体およびウイルスRNAは、Toll様受容体3（TLR3）、TLR7、またはTLR8を介してシグナルを送信し、宿主細胞を活性化させ、免疫病態を引き起こす。
コロナウイルスにおける抗体依存性感染増強（ADE）のリスク
研究により、SARS-CoV感染では、ウイルスがモノサイト、マクロファージ、B細胞などの免疫細胞に発現するFc受容体（FcR）に結合することでADEが発生することが示された。既存のSARS-CoV特異的抗体は、FcR発現細胞へのウイルスの進入を促進する可能性がある。実際、ADEによってマクロファージに感染しても、ウイルスの有効な複製や放出は行われない。一方、ウイルス抗体免疫複合体の内因性化は、FcRの活性化により骨髄性細胞の炎症を促進し、組織損傷を引き起こす。この経路を通じて細胞に侵入したウイルスは、TLR3、TLR7、TLR8に結合する可能性があり、マクロファージおよびモノサイトはADEの作用によりSARS-CoVウイルスに対して感染率が高くなる。その結果、TNFおよびIL-6の産生が増加する。したがって、ワクチン開発の過程では、ADEの可能性を慎重に検討する必要がある。この現象を可能な限り回避するためには、ワクチンの使用前にモデル動物での安全性を検証することが重要である。
3. 動物モデルを用いたワクチン安全性評価の応用
臨床前における体内安全性および有効性評価は、医薬品およびワクチン開発において不可欠なプロセスであり、ヒト研究に進む前に適切な動物モデルを用いた検証が必要となる。
生物学の発展史において、モデル動物は、ウニから酵母、線虫、マウスへと進化してきた。現代の技術により、マウスのゲノムはヒトと90%の相同性を有し、操作が容易であるため、ヒト疾患の研究に最も広く用いられている動物モデルとなっている。
COVID-19の流行により、ヒトACE2を有するマウス、すなわちSARS-CoV-2スパイクタンパク質と結合し感染を引き起こす宿主受容体に注目が集まった。従来のトランスジェニック技術および精密な遺伝子改変技術を用いて、ACE2遺伝子改変マウスが多数開発・飼育され、迅速な研究結果の創出を支えている。最近数か月間、さまざまな遺伝子改変戦略を用いたマウスモデルが次々と完成し、COVID-19パンデミックとの闘いにおける研究者たちにとって前向きなニュースとなっている。
2020年7月までのACE2マウスモデルの研究成果
6月、趙金存教授らのチームはアデノウイルスベクター（AAV）法を用いてSARS-CoV-2研究用ACE2マウスモデルを開発した。実験的検証により、この方法で作製されたマウスモデルは効果的な中和抗体（NAbs）を産生できることを確認した。これはワクチンおよび薬剤評価において極めて重要である。一方、ワシントン大学医学部はAdV-hACE2マウスモデルを用いて、高効率な中和抗体（NAbs）を確立した。
7月、ワクチン研究の進捗が相次いで報告された。米国モダerna社が開発したmRNA-1273およびドイツのバイオNTechが他機関と共同で開発したナノ粒子型mRNAワクチンは、体内で免疫応答を誘導し、中和抗体を産生すること、および良好な安全性を確認した。また、陳薇教授およびオックスフォード大学が開発したアデノウイルスベクター型ワクチンChAdOx1 nCoV-19も、2020年7月に有望な結果を示した。
これらは、今も進行中の多数の研究の一例にすぎない。COVID-19パンデミックを通じて、人々はウイルスについてより深く理解し始めた。科学技術の進展により、世界の医療保健は新たな段階に進み、生命の相互関係についてより包括的な理解が得られるようになるだろう。
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