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 の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 の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と 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 のエンベロープ（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 サブユニットの中ほどにあります。
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] に基づいて筆者作図）.
mRNA ワクチンについては図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 K. 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）。しかし、この修飾 mRNA が使われることによって、逆に体内で必要以上に翻訳活性をもったまま残存しかねないという安全性の面での懸念があります。
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）。
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）。
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。
厚生労働省やワクチン情宣サイト「こびナビ」の説明も含めて、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。そう言い切るためには、科学的根拠があまりにも弱いというべきでしょう。とくに上記 1)〜3) については早急の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.）はきわめて興味深い研究結果を報告しています [2] 。この研究では、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。
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。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。
とはいえ、これが事実だとするなら、遺伝子ワクチンの根本的な欠陥を示していることになります。つまり、遺伝子情報を取り込んでスパイクタンパクを合成し始めた細胞すべてが、自己免疫システムの攻撃対象になるということであり、その範囲が広いほど、重篤な副作用を起こすということになります。
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不思議ですが、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、宿主プロテアーゼ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、プロテアーゼの分解活性、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、それはひょっとすると細胞性免疫によるスパイクタンパク質合成細胞の攻撃・殺傷の結果かもしれないわけですから。この点は先のブログ記事で心配したとおりです（→COVID-19ワクチン：免疫の活性化と課題 ）。
日本では（世界においても）、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、ヒト細胞における mRNA と抗原タンパクの持続性、消長、その影響についてもしっかりと追跡調査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
