Serological Analysis to Accompany Clinical Research, Vaccination and Evolution of the COVID-19 Pandemic

Abstract

Die COVID-19-Pandemie führt zu einem sich ständig verändernden und herausfordernden Forschungsbereich, in dem Entscheidungen im Bereich der öffentlichen Gesundheit und der Sozioökonomie durch belastbare wissenschaftliche Beweise begleitet werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir MULTICOV-AB, einen serologischen Multiplex-Assay als Methode für die eingehende Analyse der humoralen Immunantwort auf SARS-CoV-2 entwickelt, validiert und angewandt. In der klinischen Assay Validierung erzielten wir für die Klassifizierung einer zurückliegenden Infektion eine verbesserte Sensitivität und Spezifität im direkten Vergleich mit weit verbreiteten kommerziellen Assays. Obgleich initial vermutet, fanden wir keine Hinweise auf eine Kreuzprotektivität durch endemische humane Coronaviren. Während der ersten Welle der Pandemie infizierten sich Kinder unterdurchschnittlich oft und waren häufiger asymptomatisch, was wir mit einer erhöhten Antikörperbildung im Vergleich zu Erwachsenen assoziieren konnten. Des Weiteren konnten wir feststellen, dass die Serokonversion bei Kindern und Erwachsenen unabhängig von einem symptomatischen Verlauf der Infektion ist. COVID-19 Impfstoffe wurden in einem beispiellosen Tempo entwickelt und in der Bevölkerung angewandt. Mit dem entwickelten Assay konnten wir schon früh verifizieren, dass mRNA-Impfstoffe, die erstmals während der COVID-19-Pandemie in großem Umfang eingesetzt wurden, eine starke humorale Immunantwort induzieren. Wir haben außerdem festgestellt, dass die homologe Impfung mit Vektor-basierten Impfstoffen in Bezug auf Titer und neutralisierende Aktivität eine schwächere humorale Immunantwort hervorruft. Zudem haben wir gezeigt, dass die humorale Immunantwort etwa 28 Tage nach der Immunisierung ihren Höhepunkt erreicht und danach über sechs Monate hinweg stetig abnimmt, was durch Auffrischungsimpfungen kompensiert werden konnte. Außerdem stellten wir fest, dass Impfstoffe bei Personen auf Hämodialyse eine schwächere humorale Immunantwort auslösen, und beobachteten schnell abnehmende Antikörperspiegel. Die rapide Evolution von SARS-CoV-2 führte zum Auftreten von Virusvarianten mit Schlüsselmutationen, die die Wirksamkeit des Impfschutzes in Frage stellten. Daraufhin haben wir MULTICOV-AB mit variantenspezifischen Antigenen erweitert. Wir konnten zeigen, dass einige Virusvarianten wie Alpha und Delta nur geringe bis mittelstarke Immunevasion aufweisen, während andere, wie die Omicron-Subtypen, mit einer stark verminderten Antikörperbindung verbunden sind. Zusammenfassend konnten wir Daten über Impfstoffe, Virusvarianten und Gruppen von besonderem Interesse, wie Kinder oder Personen auf Hämodialyse zeitnah liefern und konnten so die Anpassung der offiziellen Empfehlungen für Impfschemata beschleunigten und das Verständnis der Immunität gegen SARS-CoV-2 voranbringen.

The COVID-19 pandemic is resulting in a constantly fluctuating and challenging field of research, where public health and socioeconomic decisions must be accompanied by hard scientific evidence. In the work of this thesis, we developed, validated and applied MULTICOV-AB, a multiplex serological assay as a tool for in-depth analysis of the SARS-CoV-2 humoral immune response. In our clinical assay validation, we achieved improved sensitivity and specificity over widely used commercial assays for classification of previous infection. Although initially hypothesized, we found no evidence of cross-protection from endemic human coronaviruses. During the first wave of the pandemic, children were found to get infected at a lower than average rate and were more often asymptomatic, which we were able to associate with increased antibody formation over adults. Furthermore, we found seroconversion to be independent of a symptomatic course of infection in children and adults. COVID-19 vaccines were developed and widely disseminated in the population at an unprecedented pace. With the developed assay, we verified early on that mRNA vaccines, which saw their first widespread use during the COVID-19 pandemic, were able to induce a strong humoral immune response. We further found that homologous vector based vaccination elicited an inferior humoral response, in terms of titre and neutralizing activity. In addition, we showed that the humoral immune response peaked roughly 28 days post immunisation and steadily declined over six months, which was compensated by booster vaccinations. Furthermore, we found vaccines to introduce an inferior humoral immune response in patients on haemodialysis and observed fast decreasing antibody levels. Rapid evolution of SARS-CoV-2 resulted in the emergence of virus variants with key mutations, which called into question the effectiveness of vaccine protection. In response, we expanded MULTICOV-AB to include variant-specific antigens. We could show that some virus variants like Alpha and Delta exhibited mild to moderate levels of immune evasion, while others were associated with heavily diminished antibody binding, such as the Omicron sub-lineages. Overall, we were able to deliver data on vaccines, virus variants and groups of special interest such as children or haemodialysis patients in a time sensitive manner, thereby expediting adaption of official recommendations for vaccination regimens as and furthering the understanding of the immunity towards SARS-CoV-2.