Techniques de vaccination anti-COVID et variants du SARS-CoV-2

Qu'est-ce qui permet l'émergence des variants du SARS-CoV-2 ? Comment les détecte-t-on à Rennes ? Les vaccins aujourd'hui autorisés en Europe permettent-ils de les contrer ? Le point avec Vincent Thibault, professeur à la faculté de médecine de l'Université de Rennes 1 et directeur du laboratoire de virologie du CHU de Rennes.

Vincent Thibault - Image UR1/DirCom/JLB
  1. Les techniques vaccinales employées contre le SARS-CoV-2
  2. Les variants
  3. Détection des variants à Rennes
  4. Références

[Article réalisé le 5 février 2021 à partir d'un entretien avec le Pr V. Thibault]

Les techniques vaccinales employées contre le SARS-CoV-2

La vaccination a pour objectif de déclencher dans notre organisme les mécanismes qui vont permettre de créer une mémoire immunitaire. Celle-ci permettra à son tour de nous défendre efficacement contre une infection ultérieure.

Cette technique peut avoir plusieurs objectifs : cherche-t-on à se protéger contre une forme sévère, contre l'infection en elle-même ou bien contre la transmission d'un individu à l'autre ?

On aura alors différents moyens d'agir, selon les possibilités découvertes par la recherche scientifique pour les différents virus. Ces techniques pourront manipuler les virus entiers en les inactivant ou en les atténuant. Il est aussi possible de n'en utiliser qu'une partie : les protéines virales, le matériel génétique...

Enfin, les voies d'administration sont diverses. Idéalement, un vaccin contre une maladie donnée s'administrera par la même voie que l'infection elle-même, de manière à engendrer l'immunité de la manière la plus naturelle possible.

À ce jour, le mode d'administration par inhalation n'existe pas pour les vaccins contre le virus SARS-CoV-2, responsable de la maladie COVID-19. On ne sait pas non plus atténuer ce virus. L'utilisation de protéines virales directement injectées fait encore l'objet d'essais, sans que des données suffisamment solides existent encore.

Une solution a été néanmoins été trouvée pour créer des vaccins efficaces contre le SARS-CoV-2. Celui-ci possède à sa surface plusieurs exemplaires d'une protéine en forme de pointe (dite "S" pour "spike" en anglais) :
 

Schéma 3D simplifié du virus SARS-CoV-2 - © 3D medical animation

Cette protéine permet la fusion du virus avec nos cellules, qui peut conduire à la fusion des cellules infectées entre elles.

Comme la protéine S se trouve à l'extérieur du virus, il est très efficace de la faire cibler par les défenses de notre système immunitaire : si elles savent reconnaître et attaquer sans délai cette protéine, elles peuvent détruire ou neutraliser le virus associé avant qu'il ne parvienne à provoquer une infection cliniquement sévère.

Cependant, il est impossible d'introduire directement la protéine S dans notre corps : trop fragile, elle serait immédiatement dégradée.

Pour contourner cet obstacle, les vaccins actuellement autorisés en Europe utilisent deux techniques différentes :

 

Modélisation d'adénovirus D26 - © D'après V. Padilla-Sanchez, PhD

Oxford/AstraZeneca
L'idée de ce vaccin est d'introduire le code de fabrication de la protéine S dans un autre virus, un adénovirus, qui a été préalablement modifié pour perdre sa dangerosité, tout en gardant le pouvoir de s'introduire dans nos cellules. Celles-ci utilisent alors le code de la protéine S que l'adénovirus leur a transmis pour la fabriquer.

Ainsi présentée à notre système immunitaire, la protéine S sera très rapidement reconnue et mémorisée. En cas d'infection ultérieure par le SARS-CoV-2, sa protéine S sera immédiatement ciblée par nos défenses, qui pourront alors plus facilement éliminer le virus.

Même s'il intègre les cellules de notre organisme, l'adénovirus porteur du code de la protéine S ne peut ni s'y multiplier, ni s'intégrer à notre propre génome.Le choix d'un adénovirus de chimpanzé permet d'éviter que notre système immunitaire, qui n'a jamais rencontré ce virus transporteur (vecteur), l'élimine trop rapidement.

D'autres stratégies sont possibles : ainsi  le vaccin russe Sputnik V, jugé prometteur, utilise-t-il deux adénovirus humains différents pour la première et pour la seconde injection.

Pfizer BioNTech et Moderna
Nos cellules fabriquent naturellement les protéines nécessaires à notre organisme. Le code de fabrication de ces protéines se trouve dans le noyau de chacune de nos cellules : c'est l'ADN.

Lorsqu'une de nos cellules doit fabriquer une protéine donnée, son code spécifique (le gène) est recopié sous forme d'un intermédiaire appelé ARN messager (ou ARNm). Celui-ci migre alors du noyau vers le corps de la cellule (le cytoplasme), où se trouve la machinerie (ribosomes) qui le traduira pour fabriquer la protéine en question.

En soi, l'ARN messager / ARNm est particulièrement fragile.

Certains virus très connus (hépatite C, hépatite A, rhinovirus) sont des virus à ARN qui ont une structure très semblable aux ARNm. Ils sont protégés par une capside, entourée parfois par une enveloppe supplémentaire.

Une fois introduits dans les cellules, ils prennent le contrôle de la machinerie cellulaire et lui font traduire leur ARNm en de nouvelles copies virales.

Les vaccins de Pfizer/BioNTech et Moderna reposent sur un ARNm modifié pour ne correspondre qu'au code de fabrication de la protéine S du SARS-CoV-2, qui à elle seule ne présente pas de dangerosité.

Pour protéger cet ARNm, il est enveloppé dans une nano gouttelette de lipide spécialement dimensionnée pour pouvoir intégrer facilement le "corps" ou cytoplasme de nos cellules, là où se trouve la machinerie (ribosomes) qui pourra traduire cet ARNm en protéine S.
 

Comment les vaccins à ARNm font synthétiser la protéine S du SARS-CoV-2 par les cellules du patient

Ainsi, ce sont nos propres cellules qui fabriquent puis présentent la protéine S à notre système immunitaire pour l'entraîner à répondre à une éventuelle future infection par le SARS-CoV-2. Là encore, l'ARN vaccinal n'intègre pas le noyau cellulaire et ne vient donc pas modifier notre ADN.

Chaque fabricant personnalise les nano gouttelettes de lipide et l'ARNm à sa manière, notamment pour réduire la possibilité que l'ARNm déclenche une réponse immunitaire avant d'avoir pu être traduit en protéine S : on vient de voir que beaucoup de virus sont à ARN, proches des ARNm, et que l'organisme s'en protège naturellement.

Les variants

Les vaccins présentés ci-dessus fonctionnent en entraînant notre organisme à reconnaître la protéine S du SARS-CoV-2. Or les virus évoluent de manière naturelle, et essentiellement par des erreurs de copie de leur génome par les cellules infectées.

Les virus à ARN mutent plus facilement en raison de leur mode de réplication, même si le SARS-CoV-2 dispose de mécanismes qui réduisent ce taux de mutation par rapport au virus de la grippe, par exemple.

Visualisation 3D d'un virus SARS-CoV-2 réalisée sur imagerie à très haute résolution d'un virion obtenue par cryotomographie électronique - ©Nanographics GmbH

Le SARS-CoV-2 possède un génome d'une longueur exceptionnelle par rapport à d'autres virus à ARN, soit 30 000 bases. Combien d'erreurs vont-elles se produire lors de la copie de ce virus au fil de l'infection ?

Les scientifiques utilisent un taux qui permet d'estimer le nombre de substitutions d'un élément de ce génome (nucléotide), pour un virus infectant un hôte sur une année. Cette mesure est en réalité un indicateur virtuel (un individu n'est pas infecté par un seul virus sur un an), mais elle permet de comparer les virus entre eux. Pour le SARS-CoV-2, ce taux est estimé de 0,0008 à 0,0081. Multiplié par 30 000, cela donne un nombre de mutations attendues allant de 24 à 243.

Ces erreurs de copie créent autant de variants du virus. Mais la possibilité qu'une mutation favorise le virus au lieu de le rendre inopérant est infime. Pour que l'un de ces variants émerge véritablement, il faut qu'il ait une capacité à se multiplier et à diffuser dans la population supérieure à celle du virus originel.

Plus de 300 000 variants ont été identifiés depuis l'apparition de la souche de référence.

Vidéo : Évolution génétique du SARS-CoV-2 en Europe, de jan. 2020 à jan. 2021
Les mutations du virus sont représentées sous forme d'arbre phylogénétique. Le tronc central correspond à la souche arrivée en Europe en janvier 2020, les branches à la diversification génétique progressive du virus, elles s'allongent au fil du temps, à mesure que les mutations s'accumulent. Chaque point représente un génome viral analysé. Notez l'apparition du variant "britannique" en bas à droite, en fin d'animation. Crédit : nextstrain.org

Parmi les variants émergents, les variants "britannique" 20I/501Y.V1, "sud-africain" 20H/501Y.V2 et "brésilien" 20J/501Y.V3 sont aujourd'hui au centre de l'attention. Ces trois variants présentent des différences, mais ils ont en commun des mutations situées dans la partie de la protéine S impliquée dans la liaison aux cellules humaines. En facilitant cette liaison, la mutation N501Y ou la toute récente E484K pourraient contribuer à la plus forte transmissibilité du SARS-CoV-2. Si c'est bien le cas, ces variants ont vocation à prendre le dessus sur les variants actuellement dominants.

La grande question est bien sûr la capacité de notre système immunitaire, entraîné par les vaccins, à savoir détecter et contrer ces variants, en dépit de la dizaine de mutations affectant la protéine S.

Le couple Pfizer/BioNTech a mené des études préliminaires qui indiquent que leur vaccin reste efficace contre le variant "britannique", et un peu moins contre le variant "sud-africain". Il en est de même pour Moderna, l'autre fabricant à avoir choisi la technique de l'ARNm pour développer son vaccin.

Il est encore trop tôt pour pouvoir avancer des données solides, mais ce qui est certain, c'est que des mutations vont continuer d'apparaître. Le propre des virus, c'est de s'adapter à la population qu'ils infectent au fil du temps.

La réponse immunitaire est un phénomène extraordinairement complexe, variable d'un individu à l'autre. Ce n'est que l'observation qui pourra permettre de dire dans quelle mesure les vaccins actuels continueront d'être efficaces, ou s'il faudra les adapter. Là encore, le temps de la science n'est pas celui de l'information médiatique continue. Souvenons-nous que le vaccin contre la poliomyélite fonctionne toujours, 66 ans après sa mise au point.

S'il fallait adapter les vaccins contre le SARS-CoV-2, il est utile de rappeler qu'on sait déjà le faire pour le virus de la grippe. La technique ARNm vaccinale déployée contre le SARS-CoV-2 facilite encore le processus (il n'est pas nécessaire de produire la protéine S, on n'a pas d'étape de purification, et la technique de synthèse d'un ARNm mieux adapté aux virus mutés est désormais maîtrisée).

Détection des variants à Rennes

Le laboratoire de virologie du CHU de Rennes que dirige Vincent Thibault, professeur à l'Université de Rennes 1, comporte l'une des vingt plateformes COVID référentes pour le dépistage du SARS-CoV-2 en France. Les échantillons testés proviennent du CHU et des "drives" sur Rennes principalement, mais également d'hôpitaux de la région comme ceux de Pontivy, Vannes, Saint-Malo ou Saint-Brieuc.

La plateforme, qui rend ses résultats sous 24h, vient en soutien des laboratoires privés. Il lui est possible de répondre à des demandes ponctuelles de dépistages de masse sur un territoire, par exemple dans des EHPAD ou autres établissements de santé.

Tendance épidémique
À partir des données très locales que la plateforme produit, on observe qu'en Bretagne l'épidémie est nettement plus modérée que dans d'autres régions françaises. Depuis janvier cependant, les cas augmentent, ainsi que les hospitalisations. Le taux d'incidence reste quant à lui nettement inférieur à la moyenne nationale.

Détection du variant britannique
En 2 graphes, voici la situation quant aux variants détectés sur la plateforme COVID du laboratoire de virologie du CHU de Rennes. Les données concernent les mois de décembre et janvier, période durant laquelle les variants de type britannique ont émergé.
 

Tests COVID positifs relevés par la plateforme COVID de Rennes, pourcentage des profils standards et variants - Aire grise : nombre de tests quotidiens effectués dans le laboratoire -- Courbe pointillé bleue : % positifs global -- En vert, parmi ces positifs : % de profils "standards" -- En rouge : % de profils "variants S" -- Courbes lissées sur 7 jours pour s'affranchir des très fortes fluctuations en fonction des jours. - © V. Thibault et al./CHU Rennes/UR1

Le second graphe ci-dessous montre les tests réalisés uniquement sur les personnes ayant utilisé le drive, pour obtenir des résultats hors parcours hospitalier.
 

Données pour les patients testés au drive, hors parcours hospitalier - © V. Thibault et al./CHU Rennes/UnivRennes1

On observe une croissance régulière du pourcentage de variants parmi les positifs. Ce type d'évolution est attendu pour ces virus dont la population s'adapte au fil des transmissions et des pressions diverses auxquelles ils sont soumis. Les virus les plus aptes à diffuser sont sélectionnés progressivement et supplantent les virus précédents.

On peut ainsi s'attendre à ce que ces "variants" deviennent majoritaires dans les prochaines semaines. Les données actuelles ne sont pas inquiétantes quant à la dangerosité de ces variants. Encore une fois, il faudra patienter un peu pour connaitre réellement l'impact des substitutions observées sur la protéine S sur l'efficacité vaccinale.

Comment détecte-t-on un variant ?
Les données ci-dessus reposent sur le résultat combiné de deux tests :

  • le test de dépistage, qui indique qu'il s'agit d'un variant avec gène de la protéine S muté (ce qui correspond sur la plateforme de Rennes quasi systématiquement aujourd'hui au variant britannique)
  • un test de criblage qui confirme s'il s'agit ou non d'un variant anglais sur une autre mutation du gène codant pour cette protéine.

La détection des variants se faisant sur des échantillons regroupés, le temps nécessaire pour obtenir le résultat dépend du nombre d'analyses suivantes à effectuer.

Aujourd'hui sur la plateforme COVID de Rennes, le séquençage de la région codant la protéine S est en place.

Pour conclure, une seule consigne : continuer à respecter les gestes barrières !

Références

Immunological considerations for COVID-19 vaccine strategies
Jeyanathan, M., Afkhami, S., Smaill, F. et al.
Nat Rev Immunol 20, 615–632 (2020). doi:10.1038/s41577-020-00434-6

mRNA vaccines - a new era in vaccinology
Norbert Pardi, Michael J Hogan, Frederick W Porter, Drew Weissman
Nat Rev Drug Discov. 2018 Apr;17(4):261-279. doi: 10.1038/nrd.2017.243

Endocytosis of nanomedicines
Gaurav Sahay, Daria Y. Alakhova, Alexander V. Kabanov
Journal of Controlled Release, Volume 145, Issue 3, 2010, Pages 182-195 - doi: 10.1016/j.jconrel.2010.01.036

Voir aussi cette excellente vidéo de vulgarisation sur les vaccins à ARNm par SwissMedic :

Le fonctionnement d'un vaccin à ARNm from Swissmedic on Vimeo.