未来への希望－新型コロナのワクチンの開発と中和抗体につき

中和抗体の研究とは

新型コロナウイルスとの戦いにおいて、全世界の科学研究者と医療関係者が日々努力を重ねています。7月以来、科学者たちは自主的な研究開発と団体協力を通じ、中和抗体の開発およびワクチンII期の臨床実験を成功させ、今後の実験において人類とウイルスの戦いに良い結果が期待されています。

ここでは、中和抗体とワクチンに関する問題を紹介します。中和抗体を研究する意義とは？新型コロナワクチンの現在の成果は？どのようにしてモデル動物を使用し、ワクチンの安全性と有効性を検証するか？

ウイルスが機体に侵入するとき、体の中に相応の抗体を発生させ、ウイルスを中和することで、ウイルスの体に対する侵害を減少させ、病原微生物が標的細胞の受容体を通じて細胞に侵入するのを阻止することが可能です。

一般的に、新型コロナなどの伝染病の研究はバイオセーフティーレベル3級以上の生物実験室で行う必要があります。しかし、ウイルス学の研究の過程で、偽型ウイルスの応用がウイルス中和抗体医薬およびワクチンの研究において大きな役割を果たすことが研究者たちにより明らかにされています。偽型ウイルスはウイルスディスプレイに使用されますが、伝播力がないため、対応するウイルス研究の実験環境は特に厳しくなく、BSL生物安全2級以上で操作可能です。

コロナウイルスの偽型ウイルス中和抗体の研究について、まずはSARSから説明する必要があります。2005年にSARSウイルスが爆発し、人々は対応が間に合いませんでした。SARSウイルスは急速に拡大し、多くの関連研究が行き詰まりましたが、その中で継続されたプロジェクトは、現在のSARS-CoV-2への対応において参考になります。まず、2005年にイギリスのロンドン大学Robin A. Weiss教授チームがEmerging Infectious Diseaseで発表した文献「Longitudinally Profiling Neutralizing Antibody Response to SARS Coronavirus with Pseudotypes」を紹介します。この文献では、SARS-CoVのスパイクタンパクSが中和抗体の主な標的であり、逆転写ウイルスSに関連する偽型ウイルスを構築することにより、SARS-CoVの中和抗体の調製に成功し、この抗体が患者のSARS-Sタンパク質に対して中和反応を示すと指摘しています。この研究は自然感染過程における中和抗体の効果およびワクチンの臨床評価に重要な意義を持っています。一方、研究者たちはマウスやハムスターを用いた前臨床研究において、中和抗体が明確に生きているウイルスの攻撃を防げることを発見しました。これらの研究結果は、中和抗体薬剤の研究が一定程度ウイルスの侵入に抵抗できることを示しています。

2020年3月に戻り、中国の医科院病原微生物研究所はNature Communicationで研究論文を発表し、SARS-CoV-2-Sタンパク質のウイルスが細胞に侵入する際の特徴を偽型ウイルスを用いて証明し、SARS-CoVとの間に生じる免疫的交差反応について述べました。本研究ではレンチウイルスSARS-CoV-2-S偽型ウイルスシステムを用いて、Huh7、Vero81、LLCMK2、Calu3などの細胞がこのシステムに対して感受性を持つことを確認し、ウイルスが受容体ACE2と結合して細胞に入る経路についても詳述しています。CoV Sタンパク質は典型的なI類ウイルス融合タンパク質であり、Sタンパク質の融合ポテンシャルを活性化するにはプロテアーゼによる切断が必要です。ウイルスSタンパクのS1とS2の間で切断が起こります。ウイルス株と細胞タイプによって、CoV Sタンパク質はフイルムプロテアーゼ、膵プロテアーゼ、組織プロテアーゼ、膜貫通アルギニンプロテアーゼ2（TMPRSS-2）、TMPRSS-4、またはヒト気道膵プロテアーゼ様プロテアーゼ（HAT）を含む1つまたは複数の宿主プロテアーゼによって切断される可能性があります。これらのプロテアーゼが標的細胞に存在するかどうかは、コロナウイルスが細胞膜を通じて細胞に入るか、エンドサイトーシス作用を通じて細胞に入るかを大きく左右します。

Fig1.　SARS-CoV-2-S偽型ウイルスが細胞に侵入する

(Xiuyuan Ou et al. 2020)

研究はさらに、可溶性hACE2を用いたフローサイトメトリーと競合抑制実験により、SARS-CoV-2とSARS-CoVの両方のウイルスのSタンパク質がhACE2をウイルス結合の受容体として利用することを実証しました。

コロナウイルスSタンパク質はウイルスの毒力の重要な因子であり、ウイルスの毒力、組織の嗜好性および宿主範囲を決定する肝心な部分であり、中和抗体およびワクチンの主な標的でもあります。SARS-CoV-2-SとSARS-CoV-Sに対する免疫交差反応はどのように現れるのでしょうか？

Fig2.　SARSとCOVID-19患者の血清の交差中和反応

(Xiuyuan Ou et al. 2020)

回復したSARS患者の血清はSARS-CoV S偽型ウイルス粒子の侵入を強く抑制し、SARS-CoV-2 S偽型ウイルス粒子に対して適度な中和活性を持つことが研究で明らかになりました。

時間が経つにつれて、7月には中和抗体の研究結果が次第に明らかになってきました。いくつもの好結果が得られ、防疫への将来への期待が高まっています。7月9日、北京大学ゲノム学先進イノベーションセンター（ICG）および生物医学パイオニア・イノベーションセンター（BIOPIC）などが共同で文献をCellに発表し、新型コロナから回復した患者のB細胞に対して高スループット単細胞シークエンスを行い、SARS-CoV-2に対して有効な中和抗体を同定しました。

Fig3.　SARS-CoV-2中和抗体の発生

(Yunlong Cao et al. 2020)

高スループットscRNA/VDJ-seqシークエンスによりIgG1+抗原結合クローン型を8558個同定し、60人の回復患者の中から14種類の有効なSARS-CoV-2中和抗体を発見しました。SARS-CoV-2正常ウイルスおよびSARS-CoV-2 VSV偽型ウイルスシステムを用いて検証した結果、最も有効な中和抗体はBD-368-2であり、BD-368-2はSARS-CoV-2に感染したhACE2トランスジェニックマウスに対して強力な治療および予防効果を示しました。一方、バイオインフォマティクス解析により、モノクローナル抗体CDR3Hの構造を予測し、mAbのSARS-CoV中和抗体m396と非常に類似したCDR3H構造がSARS-CoV-2に対して非常に高い中和効果を持つことが確認されました。

Fig4.　BD-368-2はSARS-CoV-2に感染したhACE2トランスジェニックマウスに対して高い治療と予防作用がある

(Yunlong Cao et al. 2020)

7月23日、中国科学院生物物理学研究所の王氏研究員が複数のチームと共同し、ファージディスプレイ技術を用いてコロナウイルス抗体ライブラリを構築し、高スループットスクリーニングによりβコロナウイルスに対して広域スペクトルの中和能力を持つ抗体H014を同定しました。

Fig5.　クロス中和抗体H014の検証

(Zhe Lv et al. 2020)

ヒト化モノクローナル抗体H014はS受容体結合ドメイン（RBD）と結合することで、偽型ウイルスSARS-CoV-S PSVおよび正常ウイルスSARS-CoV-2を効果的に中和できます。hACE2マウスモデルにおいて、H014の投与により肺に感染したSARS-CoV-2ウイルスのウイルス量が低下し、肺の病理変化が軽減されました。

以上の研究は中和抗体スクリーニングの方法とその検証結果を提供し、抗ウイルス薬の開発に重要な指導的意義を持っています。また、ワクチン標的の探索にも道を示しています。

新型コロナワクチンの研究開発の進展

7月21日時点、世界で25種類の新型コロナ候補ワクチンが臨床試験段階に入っています。そのうち、少なくとも4種類のワクチンがIII期の臨床試験に入っています。

Table1：一部の研究しているワクチンの進展状況

（グラフ情報はウイルス学界の7月28日の文章『新型コロナワクチン研究開発が絶えず「突破」している』を参考）

ワクチンは病原微生物を人工的に減毒または不活化、もしくは遺伝子工学により調製した伝染病予防のための自動免疫剤です。伝統的なワクチンは人工能動免疫と受動免疫ワクチンに分けられます。人工能動免疫ワクチンは不活化ワクチン、減毒ワクチン、アナトキシンワクチンの3種類に分けられます。人工受動免疫の方式には抗毒、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製剤があります。いずれの方式も機体の抗病能力を高め、伝染病の発生を減少させます。科学技術の進歩はワクチンの製造方法の革新をもたらしました。製造方法によって、現在の新型ワクチンの種類にはサブユニットワクチン、結合ワクチン、合成ペプチドワクチン、遺伝子工学ワクチン（組換え抗原ワクチン、組換えベクターワクチン、DNA-RNAワクチン、トランスジェニック植物ワクチン）があります。

新型コロナワクチンの研究に戻ります。2020年7月14日、米Moderna社が開発した候補ワクチンmRNA-1273は100mgの投与量で、人体に良好な中和抗体反応およびTh1CD4型細胞に偏った免疫応答を引き起こし、副作用は比較的穏やかで、後期の臨床試験が進行しています。7月20日、オックスフォード大学および軍事医学科学院の陳氏院士チームによるアデノウイルスベクターワクチンChAdOx1 nCoV-19（AZD1222）のII期臨床結果が発表されました。注目すべきは、この研究がアデノウイルスAd5ベクターの候補COVID-19ワクチンの免疫原性および安全性を評価し、次なる有効性研究のための適切な投与量を確定した点です。同じく7月20日、ドイツBioNTech社は米国ファイザーなどと共同で、RNAワクチンの1/2期臨床試験の結果をプレプリントサイトmedRxivで発表しました。脂質ナノ粒子で処理されたRNAワクチンは被験者の細胞免疫応答および体液免疫応答を引き起こします。研究により、BNT162b1はSARS-CoV-2スパイクタンパクの受容体結合ドメイン（RBD）をコードしており、BNT162b1が発現したRBD抗原はT4繊維タンパク由来の「foldon」三量体タンパク質ドメインと融合し、多価再結合により免疫原性が高められていることが分かりました。

これらの成果は科学技術の発展および人類の進歩を示していますが、ワクチンの安全性・有効性評価の過程では、ADE（antibody-dependent enhancement）効果の発現を十分に考慮する必要があります。

ADEとは何か？1964年、Hawkesらがアルボウイルスの研究で「抗体依存性感染強化」という仮説に言及しました。ADEは主にウイルスが低濃度の免疫血清で複製が抑制されるどころか促進されることを意味します。これは当初、デング熱出血症およびデング熱ショック症候群の主な原因でした。新型コロナウイルスに対しても、このような恐ろしい現象が現れるのでしょうか？

Fig6.　コロナウイルス抗体反応の潜在結果

抗体が介するウイルス中和過程では、ウイルススパイクタンパク質の受容体結合構造ドメイン（RBD）およびその他の構造ドメインと結合した中和抗体がウイルスの受容体ACE2への付着を防ぐことができます。

感染した抗体依存性が増強する過程では、低品質、少量、および非中和性抗体がFab構造ドメインを介してウイルス粒子と結合します。単核球またはマクロファージが発現するFc受容体（FcR）が抗体のFc構造ドメインと結合し、ウイルスの侵入および感染を促進します。

抗体が介する免疫強化過程では、低品質、少量、および非中和性抗体がウイルス粒子と結合します。Fc構造ドメインが受容体と結合した後、FcRが信号を活性化し、炎症促進サイトカインが上昇し、抗炎症性サイトカインが低下します。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を介して信号を送り、宿主細胞を活性化させ、免疫病理学的現象を引き起こします。

研究によると、SARS-CoV感染では、ADEはウイルスが異なる免疫細胞（単核球、マクロファージ、B細胞を含む）が発現するFc受容体（FcR）と結合することで発生します。あらかじめ存在するSARS-CoV特異的抗体はウイルスがFcRを発現する細胞に入るのを促進する可能性があります。実際、ADEによるマクロファージの感染は効果的なウイルスの複製や脱落を引き起こしません。逆に、ウイルス抗体免疫複合体の内面化はFcRs5によって髄様樹状細胞を活性化させ、炎症や組織損傷を促進できます。この経路で入ったウイルスはパターン認識受容体TLR3、TLR7、TLR8と結合する可能性があります。マクロファージはADEを介してSARS-CoVウイルスを吸着することで、TNFおよびIL-6の産生を上昇させます。そのため、ワクチンの研究開発の過程では、発生し得るADE効果を考慮しなければなりません。では、どのようにしてこの現象が人体で発生するのを最大限に回避できるでしょうか？それはワクチンを適用する前のモデル動物を用いた安全性検証です。

モデル動物はワクチンの安全性検証に応用する

薬剤の開発もワクチンの研究も、避けて通れないテーマがあります。それは臨床での体内安全性および有効性の検証です。これらの検証はモデル動物の研究に欠かせません。バイオサイエンスの発展を振り返ると、モデル動物はウニからイースト、線虫を経て、現在では疾患研究に広く用いられているマウスへと至る長い過程を経てきました。ヒトと類似したゲノムが90%以上を占め、かつ操作しやすいため、マウスは最良の動物モデルとなりました。

新型コロナの発生以来、遺伝子編集マウスが注目を集め、伝統的な遺伝子組み換えから精密な遺伝子挿入まで、利用可能なACE2（SARS-CoV-2ウイルスの受容体）遺伝子編集マウスが早期に開発され、繁殖されています。時間が経つにつれて、さまざまな方式で編集されたマウスが次々と登場しています。これはパンデミック対策にとって非常に心強いニュースです。

6月に、趙氏教授チームがアデノウイルスベクターを用いて新型コロナマウスモデルを作製し、実験により検証しました。この方法で作製したマウスモデルは有効な中和抗体を産生でき、ワクチンおよび薬剤の評価に非常に重要です。同時に、ワシントン大学医学部もAdV-hACE2モデルを用いて高効率の中和抗体を調製し、7月にはワクチンの研究が相次いで報告されています。米Moderna社が開発したmRNA-1273およびドイツBioNTech社などが開発したナノ粒子mRNAワクチンは効果的な進展を遂げ、被験者に免疫応答を引き起こし、中和抗体を産生しました。当国の陳氏院士チームはオックスフォード大学と共同で調製したアデノウイルスベクターワクチンChAdOx1 nCoV-19も期待される良好な結果を示しました。

これらの研究は、モデル動物のさらなる応用に期待が高まっています。パンデミックは私たちに強い印象を与えました。おそらく新型コロナウイルスほど深い影響を与えるものはないでしょう。科学技術の進歩とともに、世界の医療および健康レベルは新たな段階に入り、人々の生命の本質に対する理解がさらに深まっています。

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