오미크론 시대의 SARS-CoV-2 감염에 대한 면역학적 방어지표로서 체액면역반응 분석

Abstract

Introduction: Serum anti-spike IgG and neutralizing antibody against SARS-CoV-2 are accepted as immune correlates of protection (ICP) against COVID-19. However, there are limited data available on the ICP after the Omicron variant wave and the introduction of the BA.4/5 bivalent vaccine. Thus, this study aimed to analyze the antibody responses as correlates of protection in the Omicron era and to investigate the protective factor against COVID-19 amid complex immunologic status of the population.

Methods: A prospective cohort of healthcare workers was enrolled at Asan Medical Center, the largest tertiary care hospital in South Korea between December 2022 and January 2023, and followed up for 5 months. Study participants had previously received a 3- or 4-dose of COVID-19 vaccine and either planned to receive a bivalent BA.4/5 vaccine or not. Blood and saliva samples were collected at 0, 1, and 3 months from the time of study enrollment, while for individuals who did not receive the bivalent vaccine, samples were collected only at 0 and 3 months. Immunological assessments were conducted using ELISA to measure variant-specific serum S1-IgG and saliva S1-IgA, and virus reduction neutralization test to measure neutralizing antibody levels.

Results: A total of 482 participants were enrolled, of whom 69 (14.3%) underwent subsequent infection after study enrollment during 5-month follow-up, while 413 (85.7%) did not. Of these 482 participants, 381 (79.0%) experienced previous SARS-CoV-2 infection before, and 166 (34.4%) received the BA.4/5 bivalent booster vaccination at the study enrollment. There was a significant difference in baseline antibody levels of Wuhan-Hu-1 (Wuhan) S1-IgG, BA.5 S1-IgG, and neutralizing antibody (nAb) against BA.5 between individuals with and without subsequent infection (all P <0.001), whereas baseline saliva Wuhan S1-IgA and BA.5 S1-IgA did not show significant difference according to the subsequent infection. The infection rate showed a decreasing trend as baseline serum antibody levels increased (all P for trend <0.001), but no significant trend was observed with baseline saliva antibody levels. The optimal cutoff value for distinguishing subsequent infection was determined from receiver operative characteristic (ROC) curves as 1.36 log OD ratio for Wuhan-Hu-1 S1-IgG, 1.43 log OD ratio for BA.5 S1-IgG and 7.00 log250% neutralization dose [ND50] for neutralizing antibody against BA.5. Baseline serum Wuhan S1-IgG (adjusted hazard ratio [aHR] 0.43; P=0.02), BA.5 S1-IgG (aHR 0.32; P=0.005) and neutralizing antibody against BA.5 (aHR 0.26, P=0.045) exceeding the cutoff value, were found to be independent protective factors against subsequent SARS-CoV-2 infection in multivariable Cox regression analysis, and also hybrid immunity was a robust protective factor against subsequent infection in all analysis based on each immune marker (all P <0.01). However, saliva S1-IgA did not show a protective role against SARS-CoV-2 infection. The high antibody levels exceeding cutoff values, Wuhan S1-IgG (aHR 0.40; P=0.007), BA.5 S1-IgG (aHR 0.30; P <0.001), as well as neutralizing antibodies against BA.5 (aHR 0.15; P=0.02) and hybrid immunity (all P <0.05), were also significantly protective against subsequent infection in the 1-month subgroup analysis that reflected the antibody levels after the bivalent booster vaccination in those vaccinated. Furthermore, combining high baseline antibody levels that exceed optimal cutoff values and hybrid immunity, the sensitivity and specificity for protection from subsequent SARS-CoV-2 infection were 89.0% and 42.0% for Wuhan S1-IgG, 88.5% and 47.8% for BA.5 S1-IgG, and 87.2% and 56.3% for neutralizing antibody against BA.5, respectively, with similar positive predictive value (90.2%, 91.0% and 92.3%, respectively).

Conclusions: This 5-month observational cohort study reconfirms that humoral immune responses are immune correlates of protection against SARS-CoV-2 infection in the Omicron era with the complex immune status of the population, and hybrid immunity is an independent protective factor against subsequent infection. Also, high serum antibody levels exceeding the cutoff value when combined with hybrid immunity demonstrate a significant predictive performance for protection against subsequent SARS-CoV-2 infection.|서론: SARS-CoV-2의 혈청 항 스파이크 IgG와 중화 항체는 COVID-19의 면역학적 방어지표로 인정되어 왔다. 그러나 Omicron 변이주 유행과 BA.4/5 2가 백신의 도입 이후 COVID-19의 면역학적 방어지표에 대한 데이터는 제한적이다. 따라서 본 연구는 오미크론 시대에 COVID-19에 대한 면역학적 방어지표로서 항체 반응을 분석하고, 오미크론 유행 및 여러 차례의 부스터 백신 접종 이후 복잡한 면역상태를 가지게 된 인구집단에서 COVID-19에 대한 보호인자를 조사하는 것을 목적으로 하였다.

방법: 2022년 12월부터 2023년 1월까지 한국의 2,700병상 규모의 3차 진료 병원인 서울아산병원의 의료 종사자로 구성된 코호트를 등록하여, 5개월간 추적 관찰하였다. 연구 참가자들은 이전에 코로나19 백신을 3회 또는 4회 접종한 적이 있으며, BA.4/5 2가 백신을 접종하거나 하지 않는 참여자들이었다. 연구 등록 시점부터 0, 1, 3개월째에 혈액 및 타액 샘플을 채취하였고, 2가 백신을 접종하지 않는 경우는 0, 3개월째에만 채취하였다. 면역학적 평가는 Wuhan-Hu-1 및 BA.5 스파이크 단백질 (S1)에 특이적인 혈청 IgG 및 타액의 IgA를 측정하는 ELISA와 중화 항체 수준을 측정하는 virus reduction neutralization test를 사용하여 수행되었다.

결과: 총 482명의 참가자가 코호트로 등록되었고, 이 중 69명 (14.3%)이 5개월 간의 추적 관찰 기간 동안 후속 감염이 발생했고 413명 (85.7%)은 후속감염이 없었다. 총 482명의 참가자 중 381명 (79.0%)은 이전에 SARS-CoV-2 감염 경험이 있었고, 166명 (34.4%)은 연구 등록 시 BA.4/5 2가 추가 백신을 접종 받았다. 후속 감염이 있는 사람과 없는 사람 간에 baseline 혈청 Wuhan-Hu-1 (Wuhan) S1-IgG, BA.5 S1-IgG 및 BA.5에 대한 중화항체 기저 수치에 유의미한 차이가 있었지만 (모든 P <0.001), baseline 타액 Wuhan S1-IgA 및 BA.5 S1-IgA의 기저수치는 후속감염에 따른 차이가 확인되지 않았다. Baseline 혈청 항체 수치가 올라감에 따라 해당 항체 구간의 감염률은 감소하는 경향성을 보였지만 (모든 P <0.001), 타액 항체 수치에 따라서는 이러한 경향성이 관찰되지 않았다. ROC 곡선에서 결정된 최적의 항체 cutoff 값은Wuhan-Hu-1 S1-IgG의 경우 1.36 log OD ratio, BA.5 S1-IgG의 경우 1.43 log OD ratio, BA.5에 대한 중화항체의 경우 7.00 log250% neutralizing dose [ND50]이었다. 다변량 콕스 회귀분석을 시행하였을 때, 이 연구에 사용된 세 가지 면역 마커인 Wuhan S1-IgG (조정 위험비 [aHR] 0.43; P=0.02), BA.5 S1-IgG (aHR 0.32; P=0.005), BA.5에 대한 중화항체 (aHR 0.26, P=0.045)는 ROC곡선에서 결정된 최적의 cutoff 값보다 높을 경우 후속 SARS-CoV-2 감염에 대한 독립적인 보호 인자로 밝혀졌으며 , 각 면역 마커를 기준으로 한 분석에서 하이브리드 면역은 후속 감염에 대한 강력한 보호 인자였다 (모든 P <0.01). 그러나 타액의 S1-IgA는 후속 SARS-CoV-2 감염에 대한 보호 효과를 보여주지 못하였다. 2가 백신 접종 1달 뒤의 항체수치를 반영하여 진행한 1-month subgroup 분석에서도 최적의 cutoff 값보다 높은 Wuhan S1-IgG (aHR 0.40; P=0.007), BA.5 S1-IgG (aHR 0.30; P <0.001) 그리고 BA.5에 대한 중화항체 (aHR 0.15; P=0.02) 및 하이브리드 면역(모든 P <0.05)은 후속감염에 대한 유의미한 보호 인자로 확인되었다. ROC 곡선에서 결정된 최적의 기준값 (Wuhan S1-IgG, 1.43 로그 OD ratio; BA.5 S1-IgG, 1.36 로그 OD ratio, BA.5에 대한 중화항체, 7.00 log2ND50)을 초과하는 높은 baseline 항체값과 하이브리드 면역을 결합하였을 때, SARS-CoV-2 후속 감염으로부터 보호하는 민감도와 특이도는 Wuhan S1-IgG의 경우 89.0%와 42.0%, BA.5의 경우 88.5%와 47.8%, BA.5에 대한 중화항체의 경우 87.2%와 56.3%로 나타났고, 양성 예측값은 각 항체 종류에 대해 90.2%, 91.0%, 92.3%로 비슷하였다.

결론: 결론적으로, 5개월간 의료 종사자를 추적한 전향적 코호트로 수행한 이 연구에서 체액성 면역 반응은 인구의 면역 상태가 복잡한 오미크론 시대에도 SARS-CoV-2 감염에 대한 가장 중요한 면역학적 방어지표임을 재확인하였고, 하이브리드 면역은 후속 감염으로부터 독립적인 보호 인자로 나타났다. 또한, 높은 혈청 항체 수치를 하이브리드 면역과 결합하였을 때, SARS-CoV-2 후속 감염으로부터 보호에 대해 유의미한 예측력을 보여주었다.