Dr. Tairaのブログ

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mRNAワクチンを受けた人から抗原タンパクと抗体を検出

はじめに

いま日本でも遅ればせながら、急速に新型コロナウイルス感染症COVID-19ワクチン接種が進められています。ワクチンと言っても、従来のような病原体を不活化させたものあるいはその一部を接種するというやり方ではなく、SARS-CoV-2スパイクタンパク質Sタンパクをコードする遺伝子(mRNA)を"ワクチン"として接種するというものです。

このブログでは、昨年3月にmRNAワクチンと集団免疫mRNAワクチンに触れましたが(→集団免疫とワクチンーCOVID-19抑制へ向けての潮流)、約1年で実現できたことには驚きを隠し得ません。mRNAワクチンはファイザー/ビオンテック社やモデルナ社のものに代表されますが、アストロゼネカ社のようにアデノウイルスベクターを使ったDNAワクチンもあります。DNAワクチンもmRNAワクチンも人類史上前例のないワクチンということになります。

最近、mRNAワクチンで誘導される抗原タンパクとウイルスのSタンパクが同様のコンフォメーションをとるという論文が、米国の研究グループによって出版されました [1]。また、モデルナ製mRNAワクチンを接種された人から抗原タンパク質と中和抗体が検出したする研究成果が、これも米国の別の研究グループによって報告されました [2]

体内でmRNAワクチンが実際に翻訳され、生成した抗原タンパク質に対して抗体ができるという予想どおりの結果だと思いますが、少し気になるところもあります。ここではそれらの話題を中心に紹介したいと思います。

1. mRNAワクチンの概要

ここで前置きとして、mRNAワクチンの復習をしたいと思います。このワクチンはこれまでとはまったく異なる新規なやり方であり、ワクチンの設計図であるmRNAを体に入れて体をダマして抗原となるタンパク質を作らせるという方法です。 

設計図によって作られるのは、SARS-CoV-2エンベロープ(外被)から突き出ているSタンパク質で、ヒトのACE2受容体を認識して結合する部分です。Sタンパク質全体の一次構造を図1Aに示します [3, 4]。スパイク全体は1273残基のアミノ酸配列から成るタンパク質で、S1とS2のサブユットから構成されます。この中で受容体に結合する領域(receptor-binding domain、RBD)はS1サブユニットの中程にあります。

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図1. SARS-CoV-2のスパイクタンパク質(Sタンパク)の一次構造(A)およびmRNAワクチンがコードする推定領域の構造(文献[3, 4]に基づいて作図).

mRNAワクチンの構造については詳細には明らかにされていませんが、図1Bのような構造が推定されます。厚生労働省は、ファイザー製およびモデルナ製のmRNA(それぞれトジナメランとCX-024414)について、ヒトの細胞膜に結合する働きを持つスパイクタンパク質の全長体をコードするmRNA、と説明しています [5, 6]

mRNAそのものは不安定でそのままでは翻訳されません。mRNAの安定化や翻訳促進には5'側にCap構造が必要であり、ここが工夫されています。その下流側には5’UTRを挟んでシグナルペプチド、さらにコード領域を組み込まれていますが、ここにはK986P、V987Pという二つの変異を挿入することで安定化を図り、中和抗体が産生されやすいようになっています [3]。さらに3'側は3'UTRを経てpolyAが付加されています。

さらに重要な点として、塩基配列のウラシルの部分が、修飾ウリジンに換えられていることが挙げられます。これはカリコ博士らが報告した修飾ウリジンへの置換によって翻訳が安定化し、タンパクの大量発現ができるという知見に基づいています [7]。実際には1メチルシュードウリジンに置換されていると思われます(図2)。

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 図2. ウリジンおよびそのアナログ(修飾ウリジン)の構造(筆者作図).

医薬品医療機器総合機構のウェブページ [8] には、モデルナ筋注適正使用ガイドという資料が掲載されており、その中にmRNAワクチンの作用機序についての説明図があります(図3)。ファイザー製mRNAについては、厚生労働省の報告書に詳細な情報があります [9]

図3のイメージでは、脂質粒子として包埋されたmRNAが体内に入り、抗原提示細胞(マクロファージや樹状細胞に取り込まれてそこでmRNAが放出され、リボソーム上で翻訳されてスパイクタンパク質(3量体構造)が作られるプロセスが示されています。3量体とはS1のRBDとNTDおよびS2(図1参照)のことです。そして、作られたタンパク質が細胞外に出ると、それが認識されて抗体が作られ、またT細胞を介した免疫が誘導されるということでしょう。

COVID-19ワクチンの免疫の賦活化の詳細については、前のブログ記事に示しています(→COVID-19ワクチン:免疫の活性化と課題)。

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図3. mRNAワクチンの作用機序(COVID-19ワクチンモデルナ筋注適正使用ガイド [8] から転載).

mRNAワクチンは脂質ナノ粒子として体内に投入されます。ガイドにはその成分も記されており、四つの脂質成分が含まれていることが分かります(図4)。

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図4. mRNAワクチンの構成物質(COVID-19ワクチンモデルナ筋注適正使用ガイド [8] から転載).

2. mRNAワクチンの安全性

mRNAワクチンにはアナフィラキシーを起こしたり、そのほかの副反応が出たりすることが知られています。mRNAワクチンの安全性については、前例のないワクチンということもあってよくわからないことがありますが、現時点においてはリスク/ベネフィット比が圧倒的に小さいという判断に基づき、全世界で接種が行なわれています。安全性についてよく言われていることを以下にまとめます。

1) mRNAは核の中に入らないので、ヒトのゲノムに組み込まれることはない。

2) mRNAは細胞に取り込まれてから20分〜数日以内で分解される。

3) 作られたタンパク質も10日〜2週間以内には分解され、体内に残らない。

4) アジュバント(免疫をつけるのを助ける補助剤)が入っておらず、mRNA以外の成分は膜になる脂質と、塩類、糖類のみであり、安全性が確認されている。

しかしながら、短縮された臨床治験の限定的情報に基づいて緊急認可されたワクチンでもあり、前例がないワクチンという状況にも関わらず、従来の科学的知見に基づいて、理論上「そうなるはずである」という言い方の印象が強いです。とくに上記1)〜3)については検証が必要と思われます。

 3. ワクチンで誘導されるSタンパクはウイルスタンパクと同じ構造

米国ロックフェラー大学などの共同研究チームは、SARS-CoV-2に対するモデルナ製ワクチン(mRNA-1273)またはファイザー/ビオンテック製ワクチン(BNT162b2)を接種した20名のボランティアの抗体およびメモリーB細胞の反応について報告しました [1]

それによると、ワクチンの2回目の注射から8週間後、ボランティアから採取された血漿サンプルからは高レベルのIgMおよびIgG抗Sタンパクが検出され、RBD結に対する結合活性が見られました。さらに、血漿中和活性とRBD特異的メモリーB細胞の相対数は、自然感染から回復した人のそれと同等でした。しかし、E484K、N501Y、またはK417N/E484K/N501YのSARS-CoV-2変異体のSタンパクに対する活性は、わずかですが有意に低下しました。

ワクチンによって誘発されたモノクローナル抗体は、SARS-CoV-2を強力に中和し、自然感染した人から分離されたモノクローナル抗体と同様に、多くの異なるRBDエピトープを標的としていました。Sタンパク質の三量体と複合体を形成したモノクローナル抗体の三次元構造解析を行なったところ、ワクチンとウイルスがコードするSタンパクは同様のコンホメーションをとり、同等の機能を持つ抗RBD抗体を誘導することが示唆されました。

一方で、試験された17種類の最強のモノクローナル抗体のうち14種類は、K417N、E484K、N501Yのいずれかの変異によって中和効果が低下または消失しました。これらの結果から、臨床で使用されているモノクローナル抗体は、新規に発生した変異体に対して試験すべきであること、そして、mRNAワクチンは、臨床効果の低下を避けるために、定期的に更新する必要があることが示唆されています。

4. mRNAワクチン被接種者からの抗原、抗体検出

米国の別の研究チーム、オガタら(Ogata et al.)が報告した研究 [2] では、被験者13名を対象として、抗原、抗体の調査が行われました。2020年12月から2021年3月にかけて、SARS-CoV-2の感染歴がない18歳以上の医療従事者を対象に、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院で試験を実施したとあります。

被験者としては、米国FDAから緊急使用許可されたmRNA-1273ワクチン(Moderna, Cambridge, MA)を28日間隔で2回接種する予定の人が対象となり、病歴、服薬歴が収集された後、ワクチンの初回投与前(0日目)にベースラインとしての血液サンプルが採取されました。その後、初回投与から1日目、3日目、5日目、7日目、9日目、14日目、28日目に血液サンプルが採取され、続いて2回目の投与から1日目、3日目、5日目、7日目、14日目、28日目に採取されました。

図5に抗原タンパク(S1、スパイク、ヌクレオカプシド)および、それらに対するIgG抗体の分析結果を示します。

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図5. mRNAワクチン接種後の抗原タンパク(S1、スパイク、ヌクレオカプシド)および、それらに対するIgG抗体の消長(文献[2]より転載).

図5Aのように、S1抗原はワクチン接種後1日目という早い段階で検出され、最初の注射から平均で5日後に最大値となりました。その後、S1抗原はすべての被験者で減少し、14日目以降では検出されなくなりました。一方、0日目には(1名の被験者を除いて)S1抗原は検出されませんでした。0日目にS1が検出された1名については、他のヒトコロナウイルスとの交差反応が現れたものか、ワクチン接種時に無症状感染していたためと考えられます。これらの結果は、ワクチン接種後すぐにmRNAの翻訳が始まっていることを示しています。

図5Bに示すように、スパイクは13人中3人において初回注射から平均15日後にピークとして検出されました。2回目のワクチン接種後は、S1やスパイクは検出されず、両抗原とも56日目まで検出されない状態が続きました。1名については、2回目のワクチン接種の1日後である29日目にSタンパク質が検出され、2日後には検出されなくなりました。

さらに被験者13名について、Sタンパク、S1、RBD、ヌクレオカプシドに対する血漿中の抗体IgG、IgA、IgMが測定されました。SタンパクとS1、RBDに対するIgGレベルは初回接種後に上昇しましたが、ヌクレオカプシドに対するIgGは経時的変化がありませんでした(図5D、E、F)。したがって、ヌクレオカプシドのmRNAを含まないワクチンに特異的な免疫反応であることが確認されました。また、すべての参加者において、S1およびスパイクに対するIgGの増加は、2回目の注射によるS1またはスパイクタンパク質の減少に直接対応していました。

これらのデータについて著者らは、初回接種後の1日目までにS1が検出されることから、抗原タンパクが注射部位と関連する局所リンパ節を超えて存在することを示していると考察しています。また、IgGおよびIgAの免疫反応の誘発は、ワクチン接種後5日目という早い時期に検出され、スパイクおよびS1抗原の全身循環での消去に関連していると述べています。

今回の研究では、初回注射後の11人においてS1抗原を検出していますが(図5A)、これはmRNA-1273がコードするSタンパク質の性質によるものと著者らは述べています。すなわち、Sタンパク質には、切断可能なS1-S2部位があり、スパイク三量体からS1を放出することができます。ほ乳類細胞にはSタンパク質を切断できるプロテアーゼ(フーリン)や循環するプロテアーゼが含まれていますが、著者らはS1の検出をこれらを介した切断に起因すると仮定しています。

不思議なのは、S1が産生されてから平均8日後にSタンパクが13人中3人に出現していることです(図5B)。この研究で用いられているSimoa抗原測定法は、S1とS2の両方のサブユニットに抗体が結合して検出できるように設計されており、その結果、本法では切断されたSタンパクは検出できません。著者らは、本法は抗体動態を高解像度でプロファイリングするのに十分な感度を有しているものの、被験者の血漿中のSタンパク濃度が検出限界以下に分解されている可能性もあるとしています。

著者らは興味深い仮説を述べています。それは、ワクチン接種の数日後にはT細胞が活性化され、それによって引き起こされる細胞性免疫反応が、S1タンパクを発現している細胞を直接殺すことで、血流中にスパイクがさらに放出されるという仮説です。つまり、mRNA-脂質ナノ粒子を飲み込んだマクロファージが細胞性免疫反応で分解されることで、その中で作られていたS1タンパク質が全身に広がるということになるでしょうか。しかし、このような遊離S1放出のメカニズムは不明であり、さらなる研究が必要でしょう。

著者らは、今回の研究の限界として、サンプルサイズが小さいことと、健康な若年成人を登録したことによるバイアスの可能性をあげており、一般人口を代表するものではないかもしれないと言っています。とはいえ、mRNAワクチン接種によってスパイクおよびS1タンパク質が全身から検出されたという証拠は重要であり、これまでのワクチン研究では報告されていないとしています。

おわりに

今回の米国の研究チームの報告を見ると、mRNAワクチンの投入によってしっかりと翻訳され、SARS-CoV-2のスパイクが体内で合成されていることがわかります。

また、モデルナ筋注ガイド [8] およびオガタらの論文 [2] をみると、mRNAワクチンの人体内での残留時間と抗原タンパクの保持時間は一般に言われている以上に長そうです。ガイドには、マウス実験とは言え、臓器によっては最長5日間mRNAが検出できるとあります。しかも注射した筋肉部位のみならず、膝窩(しっか)リンパ節、腋窩(えきか)リンパ節を越えて、脾臓にまで達しているように書かれています。

Nature Neuroscience誌に掲載された研究では、市販のCOVID-19スパイクのS1をマウスに注射すると、血液脳関門を容易に通過し、調べた11の脳領域すべてで確認されたことから、脳実質空間(脳内の機能組織)に入っていくことが実証されています [10]。

オガタ論文でもこれらを証明するかのように、血漿サンプルからS1を初回接種から5日目でピークになるように検出していますし、スパイクに至っては13人中3人において初回接種から15日目でピーク値を記録しています。これはmRNAについても残留性が長いことを示唆しています。

S1が先に出てきて後からスパイクが検出されるというのは何とも謎ですが、著者らの考察も合わせると、mRNA接種後すぐにスパイクが作られたとしても、フーリンですぐに分解されるためにスパイクではなくS1が検出されるということではないでしょうか。抗原タンパク合成、フーリンの分解活性、中和抗体の合成・活性、細胞性免疫反応が複雑に絡み合っているので、スパイクの消長の定量的把握と解釈は簡単ではなさそうです。

いずれにせよ、抗原タンパク、とくにS1が注射部位と関連する局所リンパ節を超えて全身に存在すると著者らが述べていることはきわめて重要です。考えれている以上に、mRNAのlife timeが長く、SARS-CoV-2のスパイクおよび分解物が血流に乗って全身に行き渡り、長時間何らかの悪影響を及ぼすことも想定されるわけですから。

日本では、mRNAワクチンの効果としてもっぱら中和抗体に焦点が当てられているようですが、mRNAと抗原タンパクの消長についてもしっかりと追跡する必要があると思います。

引用文献

[1] Wang, Z. et al.: mRNA vaccine-elicited antibodies to SARS-CoV-2 and circulating variants. Nature 592, 616-622 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03324-6

[2] Ogata, A. F. et al.: Circulating SARS-CoV-2 vaccine antigen detected in the plasma of mRNA-1273 vaccine recipients. Clin. Infect. Dis. ciab465, Published on line May 20, 2021. https://doi.org/10.1093/cid/ciab465

[3] Lee, P. et al.: Current status of COVID-19 vaccine development: Focusing on antigen design and clinical trials on later stages. Immune Netw. 21, e4 (2021). https://doi.org/10.4110/in.2021.21.e4

[4] UniProt: niProtKB - P0DTC2 (SPIKE_SARS2). https://www.uniprot.org/uniprot/P0DTC2

[5] 厚生労働省: ファイザー社の新型コロナワクチンについて. https://www.mhlw.go.jp/stf/seisakunitsuite/bunya/vaccine_pfizer.html

[6] 厚生労働省: 武田/モデルナ社の新型コロナワクチンについて. https://www.mhlw.go.jp/stf/seisakunitsuite/bunya/vaccine_moderna.html

[7] Karikó, K. et al.: Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability. Mol. Ther. 16, 1833–1840 (2008). https://doi.org/10.1038/mt.2008.200

[8] 独立行政法人医薬品医療機器総合機構: コロナウイルス修飾ウリジンRNAワクチン(SARS-CoV-2). https://www.pmda.go.jp/PmdaSearch/iyakuDetail/GeneralList/631341E

[9] 厚生労働省医薬・生活衛生局医薬品審査管理課:審議結果報告書. 2021.02.12. https://www.mhlw.go.jp/content/10601000/000739089.pdf

[10] Rhea, E. M.: The S1 protein of SARS-CoV-2 crosses the blood–brain barrier in mice. Nat. Neurosci. 24, 368–378 (2021). https://www.nature.com/articles/s41593-020-00771-8

引用した拙著ブログ記事

2021年4月29日 COVID-19ワクチン:免疫の活性化と課題

2020年3月25日 集団免疫とワクチンーCOVID-19抑制へ向けての潮流

                

カテゴリー:感染症とCOVID-19