Covid 19 et immunité : la Haute Autorité de santé fait le point des connaissances

Alors que l'épidémie de covid 19 sévit depuis près d'un an et qu'on attend beaucoup de l'arrivée prochaine de vaccins, la Haute Autorité de santé (HAS) a chargé un groupe de travail d'effectuer une synthèse des connaissances acquises sur le SARS-CoV-2 (le coronavirus responsable de la covid 19) et sur la réponse immunitaire qu'il induit lors de l'infection. Cette synthèse est publiée dans un rapport daté du 25 novembre 2020 et intitulé "Aspects immunologiques et virologiques de l'infection par le SARS-CoV-2 - Variabilité génétique, réponses immunitaires, plateformes vaccinales et modèles animaux". Valide au moment de sa rédaction, ce rapport est établi à partir des études menées sur le SARS-CoV-2 lui-même mais aussi sur les coronavirus, humains ou animaux, connus avant 2019. Elle est essentiellement destinée à éclairer les experts chargés d'analyser et d'étudier les avancées réalisées au moment de leur entrée possible en application, particulièrement dans le domaine des vaccins. C'est la première du genre, elle ne s'est pas encore intéressée aux essais vaccinaux dont les résultats commencent à être publiés, et fera donc l'objet de mises à jour.

Le document repose sur une revue systématique et large des informations pertinentes publiées dans les revues scientifiques et médicales et dans les médias. Il propose une synthèse détaillée renvoyant à de nombreuses références, précédée d'une présentation abrégée des aspects les plus significatifs. Celle-ci est divisée en plusieurs chapitres.

1. SARS-CoV-2 : structure et variabilité

Le SARS-CoV-2 est un virus enveloppé, à nucléocapside hélicoïdale, dont le génome est constitué d'une simple chaine d'ARN simple brin, de polarité positive, long d'environ 30 000 nucléotides (30 kb). Il appartient à la famille des Coronaviridae, au genre Betacoronavirus et au sous-genre Sarbecovirus.

C'est un virus qui infecte l'Homme, comme 6 autres coronavirus connus antérieurement : SARS-CoV-1 et MERS-Cov qui sont responsables d'atteintes respiratoires potentiellement graves voire mortelles, et HKU1, OC43, NL63 et 229E, responsables de rhumes banals. SARS-CoV-2, SARS-CoV-1 et MERS-Cov sont proches et ils se répliquent dans les tissus pulmonaires, alors que les quatre autres virus n'infectent que les voies aériennes respiratoires supérieures (VARS). Fait marquant, le SARS-CoV-2 se multiplie également dans les VARS, ce qui facilite sans doute sa transmission.

Les particules virales de SARS-CoV-2 portent des spicules constituées de la protéine S, qui se lient au récepteur ACE2 présent dans de nombreux tissus. "S" est formée de 2 sous-unités, S1 qui contient le domaine de fixation au récepteur (RBD) constitué d'un motif de fixation au récepteur (RBM), et S2, qui contient le peptide de fusion impliqué dans l'entrée du virus dans les cellules. Comme pour SARS-CoV-1 et MERS-Cov, la protéine S de SARS-CoV-2 est la cible principale de la réponse anticorps (Ac) neutralisante chez les individus infectés.

Le génome du SARS-CoV-2 peut muter, avec un taux toutefois inférieur à celui du VIH ou des virus grippaux, probablement en raison de la présence d'une activité correctrice de copie lors de la réplication. Les mutations induisent une diversification du virus en clades qui se sont multipliés depuis l'émergence. On en compte à présent 8, nommés V, L, S, G, GR, GH, GV et O. Des souches appartenant à 6 clades ont été détectées en France, principalement celles du clade GH. Parmi les mutations qui ont été observées, plusieurs ont concerné le gène de la protéine S ; en France, les plus fréquentes ont été L5S, D80Y, A222V et surtout D614G (un acide aspartique – D – est remplacé par une glycine – G – en position 614 sur la protéine). Seule cette dernière mutation a pu être associée à un changement de comportement du virus : elle favoriserait la fixation au récepteur ACE2 et la transmissibilité du virus, sans modifier son pouvoir pathogène.

Le potentiel de mutation du SARS-CoV-2 fait évoquer le risque d'un échappement possible à la réponse immunitaire, et donc à celle qui serait obtenue par la vaccination. Les vaccins devraient alors être adaptés et ré-administrés. On a effectivement observé ce phénomène d'échappement lorsqu'on a exposé in vitro le virus à des anticorps monoclonaux, ou naturellement chez le virus du rhume HCoV-229E, ce qui pourrait expliquer, plus qu'une disparition des anticorps, la possibilité de répétition des rhumes.

2. Modèles animaux

Ces modèles sont utilisés pour l'étude des maladies et des traitements, ils doivent dans l'idéal présenter plusieurs qualités : 1) être susceptibles à l'infection, 2) présenter les mêmes mécanismes physiopathologiques que chez l'Homme, 3) disposer d'un système immunitaire connu et facile à étudier, 4) produire une réponse immunitaire comparable à celle de l'homme, 5) être faciles à entretenir au laboratoire.

Des animaux très souvent utilisés comme la Souris ne sont pas susceptibles au SARS-CoV-2, mais peuvent le devenir si on leur fait exprimer le récepteur ACE2 humain (souris transgéniques). Le Hamster développe une pathologie respiratoire proche de celle de l'Homme. Cependant, la réponse immunitaire à l'infection est beaucoup plus proche de celle de l'Homme chez un primate non humain (NHP) comme le Macaque. Ce modèle permet en outre d'observer l'effet de l'âge sur l'évolution de l'infection.

En relation avec la recherche de vaccins, on a pu observer chez le Macaque qu'une première infection par le SARS-CoV-2 laissait une protection contre une 2^ème infection provoquée 35 jours après la guérison, mais que la réplication virale restait alors possible au niveau ORL. Le modèle NHP parait donc indispensable pour contrôler l'efficacité clinique ou l'absence d'effet délétère de la réponse immunitaire à l'infection.

Les modèles animaux ont montré une corrélation entre dose virale infectante et sévérité de la maladie. Les résultats des essais vaccinaux doivent donc être examinés avec attention puisqu'ils peuvent dépendre de la dose de virus à l'origine de l'infection. Les contrôles virologiques effectués lors des essais doivent différencier une réplication virale (caractérisée par la présence d'ARN viraux sous-génomiques) de la persistance du virus inoculé, qui ne présente que des ARN génomiques.

3. Analyses immunologiques effectuées dans les essais cliniques de vaccin anti-SARS-CoV-2

Le SARS-CoV-2 induit une réponse immunitaire adaptative humorale et cellulaire.

3.1. Evaluation quantitative et qualitative de la réponse humorale.

Les tests d'évaluation quantitative de la réponse humorale utilisent comme antigène (Ag) la protéine S ou son domaine RBD, parfois la protéine N de nucléocapside. La plupart des vaccins utilisant la protéine S, seul cet Ag est utilisé pour l'étude de l'immunité post-vaccinale. Toutefois, il n'existe pas de standardisation internationale de ces tests.

L'analyse qualitative s'intéresse au pouvoir neutralisant des Ac. On évalue alors leur capacité à empêcher l'infection de cellules en culture lorsqu'ils sont mis préalablement en présence du virus portant l'Ag correspondant. On utilise le SARS-CoV-2 lui-même, ou des virus modifiés pour rendre le test plus facile à réaliser ou à interpréter, ou plus sensible. Il n'existe pas là non plus de standardisation, les laboratoires utilisant des virus et des cellules différents.

La comparaison entre immunité post-vaccinale et immunité induite par l'infection est également rendue difficile par le fait que le moment du prélèvement et la gravité de la maladie ont une influence et ne peuvent être standardisés. Par principe, et en raison de la dynamique habituelle de la réponse, on évalue la réponse humorale 4 semaines après la vaccination.

3.2. Analyse de la réponse cellulaire.

La réponse immunitaire cellulaire semble importante pour contrôler l'infection par le SARS-CoV-2. Elle peut être étudiée par des tests d'activation lymphocytaire induite par les Ag viraux. Les lymphocytes T CD4+ et CD8+ qui reconnaissent les Ag réagissent en produisant des facteurs solubles (interférons et interleukines) qui sont détectés et titrés par technique ELISA ou en cytométrie de flux. Celle-ci permet de différencier les lymphocytes T-CD4+ Th1 et Th2, et les T-CD8+ porteurs des protéines responsables de leur activité cytotoxique.

L'analyse de la réponse T est en général faite 2 semaines après la vaccination, mais il n'y a pas par ailleurs de standardisation et il est difficile d'établir des comparaisons entre les différentes études. Des enseignements sur les proportions relatives des populations CD4+ Th1 et Th2 en lien avec l'évolution clinique peuvent toutefois être recueillis.

4. Immunité et vaccins contre les coronavirus, hors virus de type SARS-CoV-1 et MERS-CoV

Une contribution de l'immunité à la physiopathologie semble caractériser les infections par les coronavirus, et notamment la covid 19. Elle justifie le recours à des immunomodulateurs pour le traitement des formes modérées ou graves. On observe en particulier une manifestation de la réponse immunitaire innée, avec des effets sur la réponse adaptative qui se développe ensuite. Cette cascade éventuelle d'événements rend plus difficile encore la comparaison entre les réponses adaptatives induites par l'infection et la vaccination.

Chez les animaux, on a toutefois observé :

• réponses humorale et cellulaire sont indispensables pour assurer une protection,
• l'immunité, surtout humorale, décroit rapidement,
• l'immunité humorale peut être responsable d'une facilitation de l'infection (facilitation par les anticorps, ou ADE).

Chez l'Homme, on a étudié la réponse humorale aux coronavirus du rhume. Ces virus n'infectent que les VARS et on a constaté l'induction d'une réponse composée d'immunoglobulines G (IgG) systémiques et d'IgA muqueuses, avec présence d'Ac neutralisants. Seule la réponse muqueuse est associée à un contrôle de la réplication virale au niveau des VARS. Malgré une séroprévalence élevée pour ces virus, les réinfections sont fréquentes et faciles à observer lors de "challenges", qui consistent à infecter des volontaires. Mais ces réinfections semblent plus en rapport avec des mutations des virus (mutants d'échappement) qu'avec une perte de l'immunité acquise.

Il existe des vaccins contre quelques coronavirus animaux, mais aucun contre les coronavirus du rhume pour l'Homme.

5. Immunité et vaccins contre le SARS-CoV-1 et le MERS-CoV

Beaucoup de travaux ont été effectués sur ces virus depuis leur émergence, notamment sur l'immunité et pour la mise au point de vaccins.

5.1. Réponse immunitaire humorale.

Dans les deux infections, on a montré l'apparition d'Ac neutralisants dirigés contre la protéine S et dotés d'un effet protecteur qui se manifeste lors d'essais de transfert passif ou de vaccination. On a également remarqué, chez des patients, la concomitance de l'apparition des Ac et de celle des signes pulmonaires de l'infection, ainsi qu'une corrélation positive entre taux d'Ac et gravité de l'infection. Les Ac pourraient donc jouer un rôle aggravant, par un mécanisme d'ADE : dans ce cas, des Ac dirigés contre des Ag de surface du virus mais non neutralisants, ou présents en quantités trop faibles, se fixent au virus puis à des macrophages qu'ils activent par interaction avec le récepteur au fragment Fc. Il semble que seuls des Ac reconnaissant des épitopes extérieurs au domaine RBD de la protéine S soient impliqués. Le domaine RBD a ainsi été choisi comme antigène pour certains vaccins.

La durée de l'immunité reste à déterminer, mais des données récentes indiquent que les Ac et la réponse cellulaire contre le SARS-CoV-1 pourraient persister plus de 10 ans.

5.2. Réponse cellulaire.

La balance Th1/Th2 de la réponse T-CD4+ aurait des conséquences sur le pronostic, la prépondérance de Th1 étant associée à une évolution de l'infection plus favorable, mais une réponse Th17 serait en fait plus péjorative qu'une réponse Th2. Ces observations peuvent guider le choix des adjuvants éventuellement associés aux vaccins.

Lors d'essais de phase 1 de candidats vaccins contre le MERS-CoV, on a mis en évidence une bonne tolérance, un taux de séroconversion élevé à la fin du schéma vaccinal, mais une faible induction d'Ac neutralisants et un effet protecteur qui s'épuise avec le temps. La réponse T a semblé plus importante et durable, mais on ne dispose pas de résultats d'essais de phase 2 ou 3 pour confirmation.

6. Immunité contre le SARS-CoV-2

Lors de l'infection par le SARS-CoV-2 chez l'Homme, des Ac IgG et IgA apparaissent, avec un pic à J14. Il y a peu d'IgM. Le pic d'Ac est retardé en cas d'infection pas ou peu symptomatique. L'activité neutralisante des Ac est dirigée essentiellement contre la protéine S, avec une bonne corrélation entre présence d'Ac (détectés en ELISA) et titre neutralisant. La spécificité des Ac anti-SARS-CoV-2 est élevée, sans réactivité croisée avec les coronavirus du rhume.

La fréquence des séroconversions et les taux d'Ac augmentent avec la gravité de la maladie et l'âge des malades, ils sont plus élevés chez les hommes. Il n'a pas été rapporté de contribution de l'ADE dans l'évolution de la covid 19. Dans les formes a- ou paucisymptomatiques, les IgG peuvent rester indétectables dans le sang, mais on met en évidence une réponse IgA muqueuse et une réponse cellulaire.

La réponse T est large, dirigée contre toutes les protéines du virus. La réponse CD4+ est plus large et intense dans les formes sévères d'infection, mais alors que l'abondance de cellules CD4+ Th17 est associée aux atteintes pulmonaires et semble délétère, la réponse orientée Th1 apparait protectrice. Une prépondérance des lymphocytes T CD8+ est observée dans les formes modérées.

Globalement, la réponse cellulaire, surtout CD4+, croise avec les réponses aux coronavirus banals. Cependant, on ne connait pas encore l'impact possible de cette réactivité croisée, qui pourrait avoir des conséquences sur la diversité des Ag à inclure dans les vaccins.

Sur 53 millions de cas de covid 19 recensés, on n'a pu confirmer qu'une dizaine de cas de réinfection. Ces cas impliquaient des virus différents lors des deux épisodes et des sujets généralement jeunes et non immunodéprimés, mais les études immunologiques n'ont pas été assez poussées pour en préciser les mécanismes. On ne sait rien sur des cas éventuels de réinfection asymptomatique.

7. Les plateformes vaccinales

Fin octobre, on comptait près de 200 candidats vaccins en cours de développement, utilisant 8 stratégies ou "plateformes technologiques" différentes : vaccins vivants atténués, inactivés, sous-unité, génétique (ADN ou ARN), vectorisé à vecteur réplicatif ou non, pseudo-virus.

L'efficacité des Ac anti-protéine S ayant été démontrée dans le cas du SARS-CoV-1, la majorité des candidats anti-SARS-CoV-2 contiennent tout ou partie de cette protéine.

Les vaccins à virus entier, atténué ou inactivé, sont peu avancés car la culture virale est un processus lourd et nécessitant des installations de sécurité de niveau 3 (BSL3).

Pour les vaccins protéiques (sous-unité), plusieurs choix de domaines moléculaires et de systèmes d'expression sont possibles et doivent être testés. Des adjuvants doivent généralement être ajoutés.

Pour répondre à l'urgence au cours d'épidémies récentes (Ebola, Zika), et dans la perspective de nouvelles émergences possibles, on s'est orienté vers des technologies permettant un développement rapide de vaccins induisant une réponse humorale et cellulaire et efficaces à faible dose. L'utilisation de l'information génétique codant les protéines d'intérêt, sous forme vectorisée ou d'acides nucléiques nus, répond à ces attentes. Elle a plusieurs avantages :

• l'Ag peut être précisément sélectionné et défini ;
• il présentera les modifications post-traductionnelles effectuées par les cellules eucaryotes, permettant sa conformité à l'Ag ciblé,
• les vaccins peuvent être produits de façon standardisée et reproductible, quelle que soit la cible choisie pour l'immunisation,
• les doses de vaccin nécessaires sont a priori réduites puisque la production de l'Ag est assurée par les cellules de l'hôte elles-mêmes.

La construction de vaccins vectorisés est relativement simple et maitrisée. Il suffit d'insérer la séquence codant la protéine d'intérêt dans le génome d'un virus peu ou pas pathogène, adénovirus, MVA ("Modified Vaccinia Ankara", un virus de la vaccine atténué), VSV (virus de la stomatite vésiculaire) ou virus de la rougeole atténué. Ces vaccins "vivants" ne nécessitent pas d'adjuvants, mais une immunité préexistante ou induite contre le vecteur peut en limiter l'efficacité. Ce phénomène a été démontré pour les vecteurs adénoviraux, les plus utilisés. Parmi les 90 sérotypes connus, génétiquement stables et faciles à conserver, on a surtout choisi Ad5, déjà utilisé pour des vaccins contre Ebola et le VIH mais fréquent chez l'Homme, Ad26, utilisé contre Ebola, le VIH et le VRS, et ChAdOx1, virus du Chimpanzé testé en phase 1 contre le MERS-CoV. Tous trois sont à présent utilisés dans des vaccins anti-SARS-CoV-2 parvenus en phase 3 des essais cliniques.

Les premiers vaccins à ADN ont été mis au point il y a une trentaine d'années. Ils sont simples à produire et induisent une réponse humorale et cellulaire, mais de faible intensité, imposant des rappels ou des "boosts". Ces vaccins sont très stables, se sont montrés parfois efficaces chez l'animal, mais aucun n'a obtenu d'AMM pour une utilisation chez l'Homme.

On dispose de moins de recul sur les vaccins à ARN, qui présentent un profil de sécurité optimal en raison de l'absence d'étape nucléaire dans leur expression et de l'impossibilité de leur intégration au génome de l'hôte. Les ARN utilisés peuvent être non réplicatifs, ou rendus capables de s'auto-répliquer par l'introduction de séquences provenant du génome d'un alphavirus. Deux candidats vaccins anti-SARS-CoV-2 utilisant l'ARN sont actuellement en phase 3 avec des résultats très prometteurs, mais le recul sur une utilisation chez l'Homme est encore très limité.

8. Les adjuvants utilisés avec les candidats vaccins anti-SARS-CoV-2

Ils pour but de renforcer la réponse immunitaire, ils peuvent aussi servir à la moduler et l'orienter. Ils sont souvent nécessaires dans les vaccins qui n'utilisent pas d'agents infectieux vivants, de vecteurs vivants ou d'ARN. Onze des 42 candidats vaccins anti-SARS-CoV-2 en phase d'essai clinique en contiennent. Il s'agit d'aluminium, de Matrix-M™, d'Advax™, de MF 59, ASO4 ou CpG 1018.

Dans le cas du SARS-CoV-2, il est jugé intéressant de favoriser une réponse CD4+/Th1 et CD8+. C'est un effet de ASO4 et de CpG 1018, alors que Matrix-M™ et Advax™ favorisent une réponse Th1/Th2 équilibrée. Les dérivés de l'aluminium et MF 59 induisent plutôt une réponse Th2. Malgré cela, les adjuvants à base d'aluminium ont donné de bons résultats contre le SARS-CoV-1 et ils ont l'avantage d'un profil de sécurité bien établi.

9. Immunité et vaccination muqueuse

L'immunité muqueuse est très impliquée dans la protection contre les infections, mais son rôle est surtout un rôle tolérogène vis-à-vis des antigènes alimentaires. Au niveau pulmonaire, la réponse antivirale est dominée par les IgG qui diffusent depuis le sang, alors que ce sont des IgA sécrétoires qui sont produites a niveau des VARS. La voie d'administration intramusculaire choisie pour la plupart des candidats vaccins anti-SARS-CoV-2 ne permet pas de stimuler efficacement une réponse IgA sécrétoire, leur action se portera donc essentiellement au niveau pulmonaire. Des modèles animaux en ont fait la démonstration.

Développer un vaccin actif par voie muqueuse se heurte au phénomène d'immunotolérance induite. Des candidats vaccins visant à induire une immunité muqueuse ont cependant été conçus contre des coronavirus animaux, MERS-CoV et SARS-CoV-1 et ont produit des résultats encourageants. Des essais de vaccins muqueux anti-SARS-CoV-2 ont été effectués chez l'animal, avec là encore des résultats, et deux vaccins utilisant le vecteur non réplicatif Ad5 sont en cours de développement pour l'Homme.

10. Les essais de phase 1/2 publiés

Au jour de la rédaction de cette synthèse, des résultats d'essais de phase 1 et 2 étaient publiés pour 11 candidats vaccins. Ils correspondent à une durée de suivi courte et ne permettent pas d'interprétation définitive, alors que les essais de phase 3 étendus aux groupes à risque qui doivent confirmer les données de tolérance et d'efficacité se poursuivent. Au coté des 11 vaccins parvenus  à cette phase 3, le 12 novembre 2020, l'Organisation mondiale de la santé (OMS) comptait 37 autres candidats en phase clinique de développement et 24 essais en cours (les vaccins contre la covid peuvent être consultés ici).

Parmi les candidats vaccins en phase 3, 4 sont des vaccins à vecteurs viraux non réplicatifs (vaccin d’AstraZeneca et vaccin de Janssen, vaccin russe de Gamaleya (Spoutnik V) et vaccin chinois de Cansino), 4 sont des vaccins inactivés (3 vaccins chinois et un vaccin indien), 2 des vaccins à ARN (vaccin de Moderna et de vaccin de BioNTech/Pfizer). Seul le vaccin de Novavax est un vaccin protéique. La plupart des essais menés ont utilisé la voie intramusculaire et un schéma à 2 doses, avec des intervalles de 14, 21 ou 28 jours. Les vaccins ChadOx1 d’AstraZeneca et Ad5 nCov de Cansino ont utilisé un schéma à une dose dans au moins une partie des essais.

Les essais de phase 3 n’ont inclut que des sujets adultes, mais l'essai du vaccin ChadOx1 de l’Université d’Oxford/AstraZeneca et l’essai du vaccin BNT162 de BioNTech/Pfizer prévoient d’inclure des sujets mineurs. La limite supérieure d’âge pour le recrutement est rarement indiquée.

(NDLR : de nouvelles informations ont été rendues publiques depuis la rédaction de cette première synthèse et des mises à jour sont annoncées. En particulier, les données communiquées par Pfizer aux autorités du Royaume-Uni, reprises dans le RCP (résumé des caractéristiques du produit) du vaccin "COVID-19 mRNA Vaccine BNT162b2" publié le 7 décembre, font état de résultats obtenus chez des mineurs de 12 ans et plus et chez des adultes âgés de plus de 65 ans.

Référence

• Aspects immunologiques et virologiques de l'infection par le SARS-CoV-2 - Variabilité génétique, réponses immunitaires, plateformes vaccinales et modèles animaux.