Cellular and humoral immunity towards SARS-CoV-2 infection and vaccination in patients with primary antibody deficiency

Abstract

At the onset of the COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2 (SARS-CoV-2), which evoked in Wuhan, China in 2019, patients with inborn errors of immunity were considered as high-risk group prone to more severe disease. Primary antibody deficiencies (PAD) represent the largest group of these immunodeficiencies. In addition to quantitative immunoglobulin deficiency, a qualitative impairment of humoral immunity occurs, that is characterized by a lack of specific antibody (Ab) response after infection or vaccination. An initial observational clinical study during early pandemic stage confirmed the increased incidence of morbidity and mortality due to COVID-19 in PAD. At the beginning of this doctoral thesis, mechanisms of cellular and humoral immune responses to SARS-CoV-2 infection and vaccination in PAD remained elusive. The conducted experimental studies involved the analysis of polyfunctional T cell responses by flow cytometry along with Ab status and functional B cell memory determined by ELISA and ELISpot techniques. Study 1 was the first among literature to demonstrate T cell immunity to human endemic coronaviruses and their potential for SARS-CoV-2 cross-reactivity in 7/11 PAD. However, compared with uninfected and convalescent healthy individuals, detection frequency and polyfunctional capacity were lower in the patient group. In order to better understand the importance of specific COVID-19 Ab response, study 2 examined T cell and innate immune responses of severe COVID-19 PAD cases without seroconversion. Although all PAD investigated had intact polyfunctional T cell immunity and no impaired type I interferon response, frequent SARS-CoV-2 viremia and persistent viral shedding up to 127 days were observed. Study 3 examined COVID-19 vaccination response in PAD patients. Here, specific Ab responses in PAD showed significantly reduced avidity compared with healthy individuals. In addition, the majority of seroconverted PAD failed to from a functional B-cell memory. T cell response was intact in 100% of patients with, and in 83% of patients without SARS-CoV-2 Ab responses. Reactive follicular T helper cells were increased in Ab-positive PAD. In summary, the studies indicate normal T cell responses in PAD subsequent to SARS-CoV-2 infection or vaccination. Unvaccinated PAD without a SARS-CoV-2 Ab response showed more severe disease progression and prolonged mucosal viral persistence. While clinical data support the value of prophylactic vaccine-induced T cell immunity, qualitative differences in the avidity and functional memory formation of humoral immunity in vaccinated PAD highlight the need for a more nuanced assessment beyond the binary classification of seronegative and –positive patients. The long term value of therapeutic measures, such as the use of monoclonal Ab and the significance of IgG replacement therapy from immunized donors, has not yet been sufficiently clarified in this patient group.

Zu Beginn der COVID-19 Pandemie, ausgelöst durch das 2019 in Wuhan, China entdeckte Virus Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom-Coronavirus-2 (SARS-CoV-2), wurden Patienten mit angeborenen Immundefekten mit hohem Risiko für schwere Krankheitsverläufe eingestuft. Primäre Antikörperdefizienzen (PAD) stellen die größte Gruppe dieser Immundefekte dar. Zusätzlich zum quantitativen Immunglobulinmangel, tritt eine qualitative Einschränkung der humoralen Immunität auf, gekennzeichnet durch fehlende spezifische Antikörper (Ak)-Antwort nach Infektion oder Impfung. Eine erste klinische Beobachtungstudie bestätigte die erhöhte COVID-19 Morbidität und Mortalität für PAD. Zu Beginn dieser Dissertation waren die Mechanismen der zellulären und humoralen Immunantworten bei SARS-CoV-2-Infektion und Impfung für PAD unbekannt. In den experimentellen Studien wurden polyfunktionale T-Zell-Antworten durchflusszytometrisch analysiert und der Ak-Status, sowie das funktionelle B-Zell-Gedächtnis mittels ELISA und ELISpot-Techniken bestimmt. Studie 1 wies erstmals eine T-Zell-Immunität gegen endemische Coronaviren und deren Potential zur SARS-CoV-2-Kreuzreaktivität bei 7/11 PAD nach. Im Vergleich zu unifizierten und rekonvaleszenten Gesunden war die Erkennungshäufigkeit und Polyfunktionalität bei PAD geringer. Um die Bedeutung der spezifischen COVID-19 Ak-Antwort besser zu verstehen, wurden in Studie 2 T-zelluläre und innate Immunantworten schwerer COVID-19 Verläufe bei PAD ohne Serokonversion untersucht. Obwohl alle untersuchten PAD eine intakte polyfunktionale T-Zell-Immunität aufwiesen und keine gestörte Typ-I-Interferonantwort vorlag, wurden gehäuft SARS-CoV-2 Virämien und persistierende virale Ausscheidungen bis zu 127 Tage beobachtet. Studie 3 untersuchte die COVID-19 Impfantwort bei PAD. Dabei zeigten spezifische Ak-Antworten bei PAD im Vergleich zu Gesunden eine deutlich verminderte Avidität. Zudem konnte die Mehrzahl der serokonvertierten PAD kein funktionelles B-Zell-Gedächtnis aufbauen. Die T-Zell-Antwort war bei 100% der Patienten mit, und bei 83% der Patienten ohne Ak-Antwort intakt. Reaktive follikuläre T-Helferzellen waren bei Ak-positiven PAD erhöht. Zusammenfassend zeigten die Studien normale T-Zell-Antworten bei PAD nach SARS-CoV-2-Infektion oder Impfung. Ungeimpfte PAD ohne spezifische SARS-CoV-2 Ak-Antwort zeigten schwerere Krankheitsverlaufe und prolongierte mukosale Viruspersistenzen. Während klinische Daten den Stellenwert einer prophylaktischen Vakzin-induzierten T-Zell-Immunität untermauern, zeigen qualitative Unterschiede in der Avidität und funktionellen Gedächtnisformation der humoralen Immunität bei geimpften PAD die Notwendigkeit einer differenzierteren Bewertung jenseits der binären Einteilung in seronegativ und -positiv. Die langfristige Bedeutung therapeutischer Maßnahmen, wie der Einsatz monoklonaler Ak und der Stellenwert der IgG-Ersatztherapie von immunisierten Spendern, ist in dieser Patientengruppe noch nicht hinreichend geklärt.