Study of the acquisition and maintenance of antibody and cellular immune responses against SARS-CoV-2 in longitudinal cohorts

Abstract

[eng] The COVID-19 pandemic has underscored the importance of understanding adaptive immune responses to SARS-CoV-2 to optimize vaccination strategies and public health interventions. Adaptive immune responses generate immune memory, which is essential for preventing reinfections, facilitating rapid virus clearance and reducing disease severity. Neutralizing antibodies prevent viral infection and T cells support antibody production and eliminate infected cells. Despite extensive research on SARS- CoV-2 adaptive responses, evidence was scarce early in the COVID-19 pandemic, and knowledge gaps persist, such as their duration, factors influencing them, and the cross- recognition of emerging variants, key aspects to improve immunological protection. We characterized antibody and T-cell responses induced by SARS-CoV-2 infection, COVID-19 vaccination, or a combination of both against the ancestral virus and emerging variants over three years since the onset of the pandemic. Antibody levels against spike (S) and nucleocapsid (N) antigens were measured using Luminex assays, neutralizing capacity through pseudovirus assays, and T-cell responses to S, N and membrane antigens using IFN-γ/IL-2 FluoroSpot and activation induced marker assays. Antibody kinetics were modeled using linear mixed models, and determinants were analyzed with multivariable linear regression models. The results demonstrated that positive antibody and T-cell responses to S persisted for at least three years following infection during the first pandemic wave and two years after vaccination, with subsequent exposures (boosters and reinfections) supporting the maintenance. Antibody kinetics varied by isotype, antigen, and immunization type, showing greater durability in individuals with hybrid immunity and those receiving three vaccinations compared to two. These responses were heterogeneous, influenced by factors such as comorbidities and SARS-CoV-2 prior exposure. Infection as the first SARS-CoV-2 encounter was associated with weaker antibody responses against Omicron subvariants BA.1, BA.2, BA.4/5, BQ.1.1, and XBB, but with stronger T-cell responses after three years compared to vaccination as first antigen encounter. Although ancestral pre-existing antibodies showed reduced recognition of Beta, Gamma, Delta, and Omicron subvariants BA.1, BA.2, BA.4/5, BQ.1.1, XBB, with lost neutralization for BA.2.86, T cells effectively recognized BA.2.86. In conclusion, these findings contribute to a deeper knowledge of COVID-19 immunity for optimizing vaccination strategies to maximize protection against SARS-CoV-2 and future emerging variants.

[cat] La pandèmia de COVID-19 ha posat en manifest la importància de comprendre les respostes immunitàries adaptatives al SARS-CoV-2 per optimitzar les estratègies de vacunació i les intervencions de salut pública. Les respostes immunes adaptatives generen memòria immunitària, essencial per prevenir reinfeccions, eliminar el virus de manera ràpida i eficient i reduir la gravetat de la malaltia. Els anticossos neutralitzants impedeixen la infecció viral, mentre que els limfòcits T contribueixen a la producció d’anticossos i a l’eliminació de cèl·lules infectades. Tot i la investigació extensiva de les respostes adaptatives al SARS-CoV-2, les evidències eren escasses al començament de la pandèmia de COVID-19, i encara hi ha preguntes per resoldre, com ara la seva durada, els factors que les influeixen, i el reconeixement creuat a les variants emergents, aspectes clau per millorar la protecció immunològica. Hem caracteritzat les respostes d’anticossos i limfòcits T induïdes per la infecció del SARS-CoV-2, la vacunació COVID-19, o una combinació d’ambdues enfront el virus original i de les variants emergents al llarg de tres anys des de l’inici de la pandèmia. Els nivells d’anticossos enfront els antígens espícula (S) i nucleocàpsida (N) s’han mesurat mitjançant assajos de Luminex, la seva capacitat neutralitzant amb pseudovirus, i les respostes específiques dels limfòcits T als antígens S, N i membrana amb els assajos FluoroSpot d’IFN-γ/IL-2 i d’inducció de marcadors d’activació. La cinètica d’anticossos s’ha modelitzat amb models lineals mixtes, mentre que els factors influents s’han analitzat amb models de regressió lineal multivariable. Els resultats han mostrat que les respostes positives d’anticossos i limfòcits T a S persisteixen almenys tres anys després de la infecció durant la primera onada de la pandèmia i dos anys després de la vacunació, amb exposicions subseqüents (dosis reforç o reinfeccions) afavorint el manteniment. La cinètica d’anticossos va variar segons l’isotip, l’antigen i el tipus d’immunització, sent més duradores en individus amb immunitat híbrida i amb tres vacunacions en comparació a dues. Aquestes respostes van ser heterogènies, influenciades per factors com comorbiditats i l’exposició prèvia al SARS-CoV-2. La infecció com a primer encontre amb el SARS-CoV-2 es va associar a una menor resposta d’anticossos enfront les subvariants d’Òmicron BA.1, BA.2, BA.4/5, BQ.1.1 i XBB, però va generar major resposta de limfòcits T al cap de tres anys en comparació a la vacunació com a primer encontre antigènic. Tot i que els anticossos preexistents dirigits al virus original van disminuir el reconeixement a les variants Beta, Gamma, Delta, i les subvariants d’Òmicron BA.1, BA.2, BA.4/5, BQ.1.1, XBB, fins i tot perdent la capacitat de neutralització a la variant BA.2.86, els limfòcits T la van reconèixer de manera eficient. En conclusió, aquests resultats contribueixen a un coneixement més profund de la immunologia de la COVID-19 per optimitzar les estratègies de vacunació i maximitzar la protecció enfront del SARS-CoV-2 i futures variants emergents.

[spa] La pandemia de COVID-19 ha destacado la importancia de comprender las respuestas inmunitarias adaptativas frente al SARS-CoV-2 para optimizar las estrategias de vacunación e intervenciones de salud pública. Las respuestas inmunes adaptativas generan memoria inmunitaria, que es esencial para prevenir reinfecciones, facilitar una eliminación rápida del virus y reducir la gravedad de la enfermedad. Los anticuerpos neutralizantes previenen la infección viral, mientras que los linfocitos T contribuyen a la producción de anticuerpos y eliminan las células infectadas. A pesar de la extensa investigación, al inicio de la pandemia de COVID-19 las evidencias eran limitadas y aún persisten preguntas por resolver, como su duración, los factores que las influyen y el reconocimiento cruzado con las variantes emergentes, aspectos clave para mejorar la protección inmunológica. Hemos caracterizado las respuestas de anticuerpos y linfocitos T inducidas por la infección del SARS-CoV-2, vacunación COVID-19, o una combinación de ambas frente al virus ancestral y a las variantes emergentes durante los tres años transcurridos desde el inicio de la pandemia. Los niveles de anticuerpos frente los antígenos de la espícula (S) y la nucleocápside (N) se midieron con tecnología Luminex, la capacidad neutralizante mediante ensayos de pseudovirus, y las respuestas de linfocitos T a los antígenos S, N y membrana con ensayos de FluoroSpot IFN-γ/IL-2 e inducción de marcadores de activación. Las cinéticas de los anticuerpos se modelaron utilizando modelos lineales mixtos, y los factores influyentes se analizaron con modelos de regresión lineal multivariable. Los resultados demostraron que las respuestas positivas de anticuerpos y linfocitos T frente S persistieron al menos tres años después de la infección durante la primera ola en la pandemia, y dos años después de la vacunación, con exposiciones posteriores (dosis refuerzo y reinfecciones) contribuyendo al mantenimiento. Las cinéticas de los anticuerpos variaron según el isotipo, el antígeno y el tipo de inmunización, mostrando mayor durabilidad en individuos con inmunidad híbrida y aquellos que recibieron tres dosis de vacuna en comparación con dos. Estas respuestas fueron heterogéneas, influenciadas por factores como las comorbilidades y exposiciones previas al SARS-CoV-2. La infección como primer contacto con el SARS-CoV-2 se asoció con respuestas de anticuerpos más débiles frente a las subvariantes de Ómicron BA.1, BA.2, BA.4/5, BQ.1.1 y XBB, pero con respuestas de linfocitos T más robustas al cabo de tres años en comparación con la vacunación como primer contacto antigénico. Aunque los anticuerpos preexistentes dirigidos al virus ancestral mostraron un reconocimiento reducido a las variantes Beta, Gamma, Delta y subvariantes de Ómicron BA.1, BA.2, BA.4/5, BQ.1.1, XBB, con una pérdida de neutralización total a la variante BA.2.86, los linfocitos T reconocieron eficazmente BA.2.86. En conclusión, estos hallazgos contribuyen a un conocimiento más profundo de la inmunología de COVID-19 para optimizar las estrategias de vacunación y maximizar la protección frente al SARS-CoV-2 y futuras variantes emergentes.