Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI199810.15789/2220-7619-IAF-1998ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleInvestigating antigenic features of the SARS-CoV-2 isolated in Russian Federation in 2021–2022 by hyperimmune mouse serum neutralisationИзучение антигенных свойств штаммов коронавируса SARS-CoV-2, выделенных на территории РФ в 2020–2022 гг., в реакции нейтрализации с использованием гипериммунных сывороток мышейZaykovskayaAnna V.ЗайковскаяАнна Владимировна
Russian Federation

PhD (Biology), Senior Researcher, Microorganisms Collection Department

к.б.н., старший научный сотрудник отдела «Коллекция микроорганизмов»

zaykovskaya_av@vector.nsc.ruEvseenkoVasily A.ЕвсеенкоВасилий Александрович
Russian Federation

PhD (Biology), Leading Researcher, Department of Zoonotic Infections and Influenza

к.б.н., ведущий научный сотрудник отдела зоонозных инфекций и гриппа

zaykovskaya_av@vector.nsc.ruOlkinSergey Е.ОлькинСергей Евгеньевич
Russian Federation

Leading Researcher, Department of Biophysics and Environmental Studies

ведущий научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований

zaykovskaya_av@vector.nsc.ruPyankovOleg V.ПьянковОлег Викторович
Russian Federation

PhD (Biology), Head of the Microorganisms Collection Department

к.б.н., зав. отделом «Коллекция микроорганизмов»

zaykovskaya_av@vector.nsc.ruState Research Centre of Virology and Biotechnology “Vector” of RospotrebnadzorФБУН Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» РоспотребнадзораState Scientific Center of Virology and Biotechnology “Vector” of RospotrebnadzorФБУН Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» Роспотребнадзор140220230104202313137451507202211022023Copyright ©; 2023, Zaykovskaya A.V., Evseenko V.A., Olkin S.Е., Pyankov O.V.Copyright ©; 2023, Зайковская А.В., Евсеенко В.А., Олькин С.Е., Пьянков О.В.2023Zaykovskaya A.V., Evseenko V.A., Olkin S.Е., Pyankov O.V.Зайковская А.В., Евсеенко В.А., Олькин С.Е., Пьянков О.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1998

Introduction. The rapid spread of a new coronavirus infection among populations in many countries worldwide has contributed to the genetic evolution of the virus, resulting in the emergence of multiple genetic variants of the SARS-CoV-2 coronavirus. Mutations in the viral genome can affect the ability of the virus to bypass the immune system and complicate development of diagnostic and prophylactic drugs. Data on the neutralizing activity of the sera obtained against previously circulating genetic variants of the virus in relation to current SARS-CoV-2 strains may serve as a scientific basis for the selection of the antigens in vaccine development. The aim of this work was to study cross-reactivity of SARS-CoV-2 coronavirus strains belonging to different genetic variants, which were isolated in the territory of the Russian Federation during 2020–2022 in the neutralization reaction using mouse hyperimmune sera. Materials and methods. Ten strains of SARS-CoV-2 coronavirus belonging to different genetic variants were used (three non-VOC strains, alpha, beta, gamma, delta, delta+AY, omicron 1 and omicron 2). The hCoV-19/Australia/VIC01/2020 strain (Wuhan) was included in the study as a prototypical variant. BALBc mice were immunized with inactivated concentrated antigen mixed with a 1:1 adjuvant, which was a virus-like immunostimulatory complex based on Quillaja saponaria (Quillaja saponaria). The antibody titer was determined in the neutralization reaction. Results. Essential decrease of neutralizing ability of antibodies specific to non-vOC genetic variants of SARS-CoV-2 coronavirus was revealed against beta VOC and to a lesser degree against alpha and gamma VOC variants. The differences in the neutralizing activity level of antibodies for alpha and beta VOC variants are not significant among themselves, and with gamma VOC variants — there are no significant differences. Neutralizing ability of antibodies specific to delta VOC against alpha and beta VOC variants decreased 4-fold. Neutralizing activity of sera obtained to omicron 1 and 2 variants in relation to the prototype coronavirus variant was reduced 18-fold, to the gamma variant — 12-fold, to delta variants — more than 30-fold; for other variants it was even lower. Conclusions. The results obtained testify to the presence of cross-reactivity between strains of coronavirus belonging to genetic lines Wuhan, alpha, beta, gamma; it is weaker for delta variants. Mutations in the genome of VOC omicron variants led to a significant decrease in antigenic cross-links with earlier genetic variants of the coronavirus. These findings explain the low efficacy of vaccines based on the Wuhan strain, synthetic immunogens, and recombinant proteins based on it against omicron VOC variants, which have caused a rise in morbidity since early 2022, as well as cases of re-infection of humans with new genetic variants of the coronavirus.

Введение. Быстрое распространение новой коронавирусной инфекции среди населения многих стран мира способствовало генетической эволюции вируса, следствием чего явилось появление множества генетических вариантов коронавируса SARS-CoV-2. Мутации в вирусном геноме могут влиять на способность вируса обходить иммунную защиту и затруднять разработку диагностических и профилактических препаратов. Данные о нейтрализующей активности сывороток, полученных против циркулировавших ранее генетических вариантов вируса, в отношении актуальных штаммов SARS-CoV-2, могут служить научным обоснованием для выбора антигенов при разработке вакцин. Целью работы явилось изучение кросс-реактивности штаммов коронавируса SARS-CoV-2, относящихся к разным генетическим вариантам, которые были выделены на территории Российской Федерации в период 2020–2022 гг. в реакции нейтрализации с использованием гипериммунных сывороток мышей. Материалы и методы. Использованы 10 штаммов коронавируса SARS-CoV-2, относящихся к разным генетическим вариантам (3 штамма, не являющиеся VOC, альфа, бета, гамма, дельта, дельта+AY, омикрон 1 и омикрон 2). Штамм hCoV-19/Australia/VIC01/2020 (Ухань) был включен в исследование в качестве прототипного варианта. Мышей линии BALBc иммунизировали инактивированным концентрированным антигеном в смеси с адъювантом 1:1, в качестве которого использовали вирусоподобные иммуностимулирующие комплексы на основе сапонинов Квиллайи мыльной (Quillaja saponaria). Титр антител определяли в реакции нейтрализации. Результаты. Показано значительное снижение нейтрализующей способности антител, специфичных к генетическим вариантам коронавируса SARS-CoV-2 не относящимся к VOC, против бета VOC и, в меньшей степени, против альфа и гамма VOC. Различия уровня нейтрализующей активности антител для альфа и бета VOC между собой незначительны, с вариантом гамма VOC — не достоверны. Нейтрализующая способность антител, специфичных к дельта VOC, против вариантов альфа и бета VOC снижена в 4 раза. Нейтрализующая активность сывороток, полученных к вариантам омикрон 1 и 2, по отношению к прототипному варианту коронавируса снижена в 18 раз, к гамма-варианту — в 12 раз, к дельта-вариантам — более чем в 30 раз, для остальных вариантов она еще ниже. Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о наличии кросс-реактивности между штаммами коронавируса, относящимися к генетическим линиям Ухань, альфа, бета, гамма; для дельта-вариантов она слабее. Мутации в геноме вариантов омикрон VOC привели к значимому снижению антигенных перекрестов с более ранними генетическими вариантами коронавируса. Эти сведения объясняют низкую эффективность вакцин, созданных на основе генетического варианта вируса, циркулировавшего в первые недели пандемии, синтетических иммуногенов и рекомбинантных белков на его основе против вариантов омикрон VOC, которые вызвали подъем заболеваемости с начала 2022 г., а также случаи повторного заболевания людей при инфицировании новыми генетическим вариантов коронавируса.

COVID-19SARS-CoV-2antibodiescross-reactivityhyperimmune seraneutralization reactionCOVID-19SARS-CoV-2антителакросс-реактивностьгипериммунные сывороткиреакция нейтрализацииЕвсеенко В.А., Гудымо А.С., Данильченко Н.В., Святченко С.В., Таранов О.С., Рыжиков А.Б. Разработка и лабораторное получение вирусоподобных иммуностимулирующих комплексов на основе сапонинов, оценка их адъювантных свойств при иммунизации мышей гриппозными антигенами // БИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2022. Т. 22, № 2. С. 170–186. [Evseenko V.A., Gudymo A.S., Danilchenko N.V., Svyatchenko S.V., Taranov O.S., Ryzhikov A.B. Development and laboratory production of virus-like immune-stimulating complexes based on saponins and evaluation of their adjuvant potential using mice immunisation with influenza antigens. BIOpreparaty. Profilaktika, diagnostika, lechenie = Biological Products. Prevention, Diagnosis, Treatment, 2022, vol. 22, no. 2, pp. 170–186. (In Russ.)] doi: 10.30895/2221-996X-2022-22-2-170-186Aleem A., Akbar Samad A.B., Slenker A.K. Emerging variants of SARS-CoV-2 and novel therapeutics against coronavirus (COVID-19) [Updated 2022 Oct 10]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK570580Choi A., Koch M., Wu K., Dixon G., Oestreicher J., Legault H., Stewart-Jones G.B.E., Colpitts T., Pajon R., Bennett H., Carfi A., Edwards D.K. Serum neutralizing activity of mRNA-1273 against SARS-CoV-2 variants. J. Virol., 2021, vol. 95, no. 23: e0131321. doi: 10.1128/JVI.01313-21Edara V.V., Hudson W.H., Xie X., Ahmed R., Suthar M.S. Neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 variants after infection and vaccination. JAMA, 2021, vol. 325, no. 18, pp. 1896–1898. doi: 10.1001/jama.2021.4388Harvey W.T., Carabelli A.M., Jackson B., Gupta R.K., Thomson E.C., Harrison E.M., Ludden C., Reeve R., Rambaut A.; COVID-19 Genomics UK (COG-UK) Consortium, Peacock S.J., Robertson D.L. SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. Nat. Rev. Microbiol., 2021, vol. 19, no. 7, pp. 409–424. doi: 10.1038/s41579-021-00573-0Hoffmann M., Kleine-Weber H., Schroeder S., Krüger N., Herrler T., Erichsen S., Schiergens T.S., Herrler G., Wu N.H., Nitsche A., Müller M.A., Drosten C., Pöhlmann S. SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically proven protease inhibitor. Cell, 2020, vol. 181, no. 2, pp. 271–280.e8. doi: 10.1016/j.cell.2020.02.052Jennewein M.F., MacCamy A.J., Akins N.R., Feng J., Homad L.J., Hurlburt N.K., Seydoux E., Wan Y.H., Stuart A.B., Edara V.V., Floyd K., Vanderheiden A., Mascola J.R., Doria-Rose N., Wang L., Yang E.S., Chu H.Y., Torres J.L., Ozorowski G., Ward A.B., Whaley R.E., Cohen K.W., Pancera M., McElrath M.J., Englund J.A., Finzi A., Suthar M.S., McGuire A.T., Stamatatos L. Isolation and characterization of cross-neutralizing coronavirus antibodies from COVID-19+ subjects. Cell Rep., 2021, vol. 36, no. 2: 109353. doi: 10.1016/j.celrep.2021.109353Kozlovskaya L.I., Piniaeva A.N., Ignatyev G.M., Gordeychuk I.V., Volok V.P., Rogova Y.V., Shishova A.A., Kovpak A.A., Ivin Y.Y., Antonova L.P., Mefyod K.M., Prokosheva L.S., Sibirkina A.S., Tarasova Y.Y., Bayurova E.O., Gancharova O.S., Illarionova V.V., Glukhov G.S., Sokolova O.S., Shaitan K.V., Moysenovich A.M., Gulyaev S.A., Gulyaeva T.V., Moroz A.V., Gmyl L.V., Ipatova E.G., Kirpichnikov M.P., Egorov A.M., Siniugina A.A., Ishmukhametov A.A. Long-term humoral immunogenicity, safety and protective efficacy of inactivated vaccine against COVID-19 (CoviVac) in preclinical studies. Emerg. Microbes. Infect., 2021, vol. 10, no. 1, pp. 1790–1806. doi: 10.1080/22221751.2021.1971569Logunov D.Y., Dolzhikova I.V., Zubkova O.V., Tukhvatullin A.I., Shcheblyakov D.V., Dzharullaeva A.S., Grousova D.M., Erokhova A.S., Kovyrshina A.V., Botikov A.G., Izhaeva F.M., Popova O., Ozharovskaya T.A., Esmagambetov I.B., Favorskaya I.A., Zrelkin D.I., Voronina D.V., Shcherbinin D.N., Semikhin A.S., Simakova Y.V., Tokarskaya E.A., Lubenets N.L., Egorova D.A., Shmarov M.M., Nikitenko N.A., Morozova L.F., Smolyarchuk E.A., Kryukov E.V., Babira V.F., Borisevich S.V., Naroditsky B.S., Gintsburg A.L. Safety and immunogenicity of an rAd26 and rAd5 vector-based heterologous prime-boost COVID-19 vaccine in two formulations: two open, non-randomised phase 1/2 studies from Russia. Lancet, 2020, vol. 396, no. 10255, pp. 887–897. doi: 10.1016/S0140-6736(20)31866-3Piccoli L., Park Y.J., Tortorici M.A., Czudnochowski N., Walls A.C., Beltramello M., Silacci-Fregni C., Pinto D., Rosen L.E., Bowen J.E., Acton O.J., Jaconi S., Guarino B., Minola A., Zatta F., Sprugasci N., Bassi J., Peter A., De Marco A., Nix J.C., Mele F., Jovic S., Rodriguez B.F., Gupta S.V., Jin F., Piumatti G., Lo Presti G., Pellanda A.F., Biggiogero M., Tarkowski M., Pizzuto M.S., Cameroni E., Havenar-Daughton C., Smithey M., Hong D., Lepori V., Albanese E., Ceschi A., Bernasconi E., Elzi L., Ferrari P., Garzoni C., Riva A., Snell G., Sallusto F., Fink K., Virgin H.W., Lanzavecchia A., Corti D., Veesler D. Mapping neutralizing and immunodominant sites on the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain by structure-guided high-resolution serology. Cell, 2020, vol. 183, no. 4, pp. 1024–1042.e21. doi: 10.1016/j.cell.2020.09.037Reed L.l.J., Muench H. A simple method of estimating fifty per cent endpoints. Am. J. Epidemiol., 1938, vol. 27, no. 3, pp. 493–497. doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a118408Shiliaev N., Lukash T., Palchevska O., Crossman D.K., Green T.J., Crowley M.R., Frolova E.I., Frolov I. Natural and recombinant SARS-CoV-2 isolates rapidly evolve in vitro to higher infectivity through more efficient binding to heparan sulfate and reduced S1/S2 cleavage. J. Virol., 2021, vol. 95, no. 21: e0135721. doi: 10.1128/JVI.01357-21Thakur V., Ratho R.K. OMICRON (B.1.1.529): a new SARS-CoV-2 variant of concern mounting worldwide fear. J. Med Virol., 2022, vol. 94, pp. 1821–1824. doi: 10.1002/jmv.27541Tian J.H., Patel N., Haupt R., Zhou H., Weston S., Hammond H., Logue J., Portnoff A.D., Norton J., Guebre-Xabier M., Zhou B., Jacobson K., Maciejewski S., Khatoon R., Wisniewska M., Moffitt W., Kluepfel-Stahl S., Ekechukwu B., Papin J., Boddapati S., Jason Wong C., Piedra P.A., Frieman M.B., Massare M.J., Fries L., Bengtsson K.L., Stertman L., Ellingsworth L., Glenn G., Smith G. SARS-CoV-2 spike glycoprotein vaccine candidate NVX-CoV2373 immunogenicity in baboons and protection in mice. Nat. Commun., 2021, vol. 12, no. 1: 372. doi: 10.1038/s41467-020-20653-8Tregoning J.S., Flight K.E., Higham S.L., Wang Z., Pierce B.F. Progress of the COVID-19 vaccine effort: viruses, vaccines and variants versus efficacy, effectiveness and escape. Nat. Rev. Immunol., 2021, vol. 21, no. 10, pp. 626–636. doi: 10.1038/s41577-021-00592-1Trombetta C.M., Marchi S., Viviani S., Manenti A., Benincasa L., Ruello A., Bombardieri E., Vicenti I., Zazzi M., Montomoli E. Serum neutralizing activity against B.1.1.7, B.1.351, and P.1 SARS-CoV-2 variants of concern in hospitalized COVID-19 patients. Viruses, 2021, vol. 13, no. 7: 1347. doi: 10.3390/v13071347