Untersuchung der initialen B-Zell- und IgG-Antikörperantwort nach zwei Impfungen mit dem SARS-CoV-2 mRNA-Vakzin BNT162b2 Anfang 2021

Abstract

Im Rahmen der COVID-19 Pandemie wurden die ersten mRNA-Impfstoffe, darunter BNT162b2, Ende 2020/ Anfang 2021 für den Menschen zugelassen. BNT162b2 kodiert für das SARS-CoV-2-Spike- (S-) Protein und wird intramuskulär verabreicht. Um einen effektiven und nachhaltigen humoralen Schutz gegen das SARS-CoV-2 zu gewährleisten, sollte das Vakzin spezifische Antikörper und B-Gedächtniszellen generieren. Neben der neutralisierenden Fab-vermittelten Effektorfunktion von Immunglobulin G (IgG) Antikörpern, wird die Fc-vermittelte Effektorfunktion von IgG-Antikörpern von deren Subklasse (IgG1–4) und deren Art der Fc-N-Glykosylierung beeinflusst. Die konservierte Glykan-Kernstruktur am Asparagin 297 im Fc-Teil kann durch Anknüpfung von Fukose, Bisection N-Acetylglucosamin, Galaktose und Sialinsäure modifiziert werden. Ziel dieser Arbeit war es, die initiale anti-S IgG-Subklassenantwort und die anti-S IgG1 Fc-Glykosylierung sowie die S-spezifische B-Zell-Antwort bis zu einem Monat nach der zweiten mRNA-Vakzinierung zu untersuchen. Ein besonderer Fokus sollte dabei auf die IgG-Subklassenverteilung, die Entstehung von nicht-fukosylierten IgG-Antikörpern, die ein großes pathogenes Potenzial durch Ihre hohe Affinität zu aktivierenden Fc-gamma-Rezeptoren (FcγRs), zum Beispiel auf NK-Zellen, besitzen, und die Entstehung verschiedener S-spezifischer Plasmazellpopulationen und B-Gedächtniszellen gelegt werden. Hierzu wurden im Studienzeitraum Anfang 2021 von insgesamt i) 25 Naiven Geimpften (keine SARS-CoV-2 Infektion vor der ersten Impfung), ii) neun Vorinfizierten Geimpften und iii) zwei SARS-CoV-2 Vorinfizierten Ungeimpften zu mehreren Zeitpunkten, und zur Kontrolle von iv) sechs akut Infizierten Ungeimpften und v) 26 Naiven Ungeimpften Serum, Vollblut- und Speichelproben untersucht. Für die Bestimmung der anti-S IgG-Subklassen-Level im Serum und der anti-S IgG-Level im Speichel wurden spezifische ELISA-Protokolle entwickelt. Die anti-S IgG-Glykopeptidanalyse erfolgte in Kooperation über LC-MS (Liquid chromatography-mass spectrometry). Für die S-spezifische B-Zell-Analyse aus Vollblut wurde ein S-spezifisches Färbeprotokoll für die Analyse im Durchflusszytometer entwickelt, das auch die Bestimmung des Expressionslevels der alpha-2,6-Sialyltransferase (ST6GAL1) in Plasmazellen ermöglichte, welche Sialinsäure an IgG-Antikörper knüpft. Nach jeder Impfung dominierten sowohl bei den Naiven Geimpften als auch bei den Vorinfizierten Geimpften im Serum die kampfstarken Subklassen IgG1 und IgG3, die über eine hohe Affinität zu aktivierenden FcγRs und dem Komplementprotein C1q potente Effektorfunktionen auslösen können. Die anti-S IgG2 Level waren niedriger und anti-S IgG4 trat nur in geringen Mengen nach der zweiten Impfung auf. Im Speichel konnte in beiden Impfgruppen kurz nach der zweiten Impfung ebenfalls S-spezifisches IgG nachgewiesen werden. Nur bei den Naiven Geimpften zeigte sich vorübergehend nach der ersten Immunisierung ein erhöhter Anteil (circa 8 %, mit einem Maximum von 16,3 %) an nicht- (a)fukosyliertem (F0) anti-S IgG1, der nach der zweiten Impfung konstant bei etwa 2 % lag. Vorinfizierte Geimpfte wiesen hingegen einen stabilen konstanten Anteil von circa 4 % afukosyliertem anti-S IgG1 auf. Die Anteile an galaktosyliertem und sialyliertem anti-S IgG1 waren in beiden Impfgruppen kurz nach jeder Impfung sehr hoch, fielen jedoch nach der zweiten Impfung über die Zeit tendenziell ab. In Kombination mit Impfdaten aus Mäusestudien könnte dies darauf hindeuten, dass stärker galaktosylierte und sialylierte IgG1-Antikörper von frühen extrafollikulären Plasmazellen stammen, während weniger galaktosylierte und sialylierte IgG1-Antikörper langlebigen Plasmazellen zuzuordnen sind. Dies legt nahe, dass kurz- und langlebige, unterschiedlich glykosylierte IgG-Antikörper möglicherweise verschiedene Funktionen erfüllen. In beiden Impfgruppen konnten IgG-positive S-spezifische Plasmazellen (CD19int/+CD38++) und B-Gedächtniszellen (CD19+CD38-/int) im Blut detektiert werden. Ein bis zwei Wochen nach der ersten Impfung wiesen die S-spezifischen Plasmazellen bei Naiven Geimpften vor allem einen CD27-/intCD138-/int Phänotyp, während sie bei Vorinfizierten Geimpften einen CD27+CD138-/int Phänotyp zeigten. Zukünftige Untersuchungen sollten klären, ob CD27+ Plasmazellen von B-Gedächtniszellen stammen könnten. Die höchste ST6GAL1-Expression wurde in CD138+ Plasmazellen festgestellt, die daher für die Generierung sialylierter IgG1-Antikörper verantwortlich sein könnten. Auch dies sollte weiter erforscht werden. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur initialen humoralen Immunantwort auf den mRNA-Impfstoff BNT162b2 könnten dazu beitragen, in Zukunft neue effektive Impfstoffstrategien zu entwickeln, beispielsweise unter der Einbeziehung der Generierung von F0-IgG1-Antikörpern.