In der medizinischen Diagnostik der akuten Infektion mit SARS-CoV 2 hat sich im Wesentlichen der molekulare Nachweis mittels PCR durchgesetzt. Auf den Antigen-Test, vornehmlich als Schnelltest, wird hingegen zum Screening oder für epidemiologische Fragestellungen zurückgegriffen.

Darüber hinaus stehen jedoch auch serologische und immunologische Corona-Tests zur Verfügung, die bei der Beantwortung wichtiger Fragestellungen in der täglichen Praxis wertvolle Unterstützung leisten: serologische Tests können auf kürzliche oder zurückliegende COVID-19-Infektionen hinweisen, beispielsweise wenn ein molekularer Test nicht durchgeführt wurde. Da nicht alle infizierten oder geimpften Patienten Antikörper bilden, kann die zelluläre Immunität weiteren Aufschluss über eine mögliche Infektion, bzw. Immunität geben. Spezialisierte Antikörper-Tests erlauben darüber hinaus inzwischen eine Einschätzung zum Impfschutz nach Vakzinierung.

Die Kombination von molekularen, serologischen und immunologischen Tests unterstützt daher bei der Beantwortung der relevanten Fragen, die in der täglichen Praxis rund um Corona-Infektion und -Impfung auftauchen.

Virale Infektion

Alle Coronaviren gleichen sich im Aufbau und setzen sich aus den folgenden vier Strukturproteinen zusammen: Spike (S), Hülle (E), Membran (M) und Nukleokapsid (N). Bekanntermaßen befällt das Virus die Wirtszellen über eine Bindung des viralen S-Proteins an das zelluläre Angiotensin-Converting Enzyme 2 (ACE2), das auf zahlreichen Zellen der Luft- und Atemwege vorhanden ist. Diese Bindung erfolgt über einen definierten Bereich des S-Proteins, die so genannte Rezeptor-Bindende Domäne (RBD).

Humorale Immunität

Die Infektion mit SARS-CoV-2 löst im Körper in der Regel eine Immunreaktion aus, nämlich die Bildung spezifischer Antikörper gegen die viralen Antigene (Strukturproteine). Bei einer natürlichen Infektion mit dem Virus werden Antikörper gegen mehrere virale Antigene gebildet.

Nach einer Infektion wird zunächst IgM gebildet, wobei die Halbwertszeit des Moleküls kurz ist (siehe Abb 1); IgG wird in der Regel nach 1 – 14 Tage nachweisbar (mit der höchsten Konzentration nach ca. 3 – 7 Tagen) und bleiben zumeist 4 – 6 Monate erhalten. Neutralisierende Antikörper werden nach 7 – 15 Tagen nachweisbar und nehmen bis Tag 14 – 22 weiter zu. Niedrige Antikörper-Spiegel wurden bei asymptomatischen Patienten und klinisch milden Verläufen beobachtet (6).

Bei der Impfung, z. B. mit den mRNA-Impfstoffen, richten sich die Antikörper gegen das gebildete S-Protein. Antikörper, die gegen die RBD des S-Proteins gerichtet sind, werden als neutralisierend bezeichnet, da sie die Infektion des Virus unterbinden können; diese Antikörper gelten als Träger der Immunität und sind zu großen Teilen an der Resistenz gegenüber nachfolgenden Infektionen mit dem Virus beteiligt.

Allerdings bedeutet der Nachweis neutralisierender Antikörper gegen eine Virusvariante – nach Infektion oder Impfung – nicht automatisch einen vergleichbaren Schutz gegenüber anderen Varianten des Virus (10). Dies deckt sich mit dem klinischen Befund, dass die Impfung gegen verschiedenen Virusvarianten unterschiedlich schützende Wirkung entfaltet.

Antikörper- und T-Zell-Antwort („Response“) im Verlauf („Time after infection (weeks)“) nach Infektion mit SARS-CoV-2. Die Immunantwort kann individuell erheblich von diesem Schema abweichen und hängt von zahlreichen Faktoren (Alter, Schwere des Verlaufs etc.) ab. Abbildung zitiert nach (6).

Serologische Tests

Die Bandbreite an verfügbaren serologischen Testen ist sehr groß; zu beachten sind im Wesentlichen die verwendeten SARS-CoV-2 Zielproteine bzw. Antigene.

 

Zustand nach Impfung

In Deutschland werden unterschiedliche Impfverfahren genutzt; neben den mRNA-Impfstoffen (Moderna und BioNTech) werde auch Vektor-Impfstoffe (AstraZeneca) eingesetzt. In allen Fällen aber wird das S-Antigen des Virus produziert, gegen das wiederum Antikörper gebildet werden. Ziel dabei ist die Generierung eines möglichst hohen Anteils an neutralisierenden Antikörpern.

Zur Bestimmung einer Immunantwort nach einer Impfung verwenden wir einen Immunoassay, welcher Antikörper gegen die RBD des S-Proteins detektiert (4). Damit erkennt der Test zum großen Teil neutralisierende Antikörper (8); ein separater Test zur gesonderten Erfassung solcher Antikörper ist daher entbehrlich (9). Spezifität und Sensitivität des Assays liegt bei nahezu 100 %. Da das virale S-Protein nicht nur bei einer Impfung im Körper gebildet wird, sondern auch nach einer natürlichen Infektion, kann dieser Test in beiden Fällen positiv. Zur Unterscheidung zwischen Impfung und natürlicher Infektion ist ein zweiter Test zu veranlasse, der Antikörper gegen das N-Antigen detektiert und damit von der Impfung unabhängig ist (s.u.)

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Antikörper-Antwort nach 1. und 2. Impfung mit Biontech/Pfizer gemessen mit Elecsys anti-SARS-CoV-2 S, nach (8).

Der in unserem Labor verwendete Test, der gegen die RBD des S-Protein gerichtet ist, kann die Immunantwort quantitativ erfassen, womit nach Impfung ein Titer angegebenen werden kann. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde dieses Assay an einem internationalen Standard (WHO-Standard) abgeglichen, weshalb die verwendete Maßeinheit BAU/ml lautet (siehe Abb. 2).

Inzwischen ist sehr gut belegt, dass hohe Antikörper-Titer nach Vakzinierung mit einem hohen Impfschutz einhergehen. Die Datenlagen, wie hoch genau ein schützender Impft-Titer sein sollte, ist jedoch noch lückenhaft. Die Oxford COVID Vaccine Trial Group hat dazu Daten, nach Impfung mit einem Vektor-Impfstoff (AstraZeneca), veröffentlicht. Demnach bieten Antikörper-Titer von ca. 900 BAU/ml – gemessen 28 Tage nach Impfung mit einem Assay gegen das S-Protein – eine Schutzwirkung von etwa 90% (2). Das Coronavirus Vaccine Prevention Network hat vergleichbare Daten zur Impfung mit dem mRNA-Impfstoff von Moderna veröffentlicht. Dabei wurden Antikörper-Titer am Tag der 2. Impfung und 4 Wochen danach bestimmt. Für Assays, die die RBD des S-Proteins verwenden wird ein 90 %-iger Schutz bei 775 BAU/ml erreicht (3).

 

Natürliche Infektion

Zum qualitativen Nachweis einer Immunantwort nach einer nativen Infektion mit dem Virus wird das Nukleokapsid-Antigen (N) verwendet. Der Antikörpernachweis gegen dieses Antigen ist mit fast 99,9 % spezifisch für SARS-Cov-2 und zeigt damit keine Kreuz-Reaktivität gegen andere humane Corona-Viren, die üblicherweise saisonale Erkältungen auslösen können (7). Dieser Test erfasst alle Antikörper-Klassen (IgM, IgG) gegen das N-Antigen. Da Antikörper gegen dieses Antigen nur auf dem Weg einer natürlichen Infektion generiert werden und nicht nach einer Impfung, bleibt in letzterem Fall der Test negativ. Neutralisierende Antikörper werden nicht wesentlich erfasst. Derzeit gibt es keine Hinweise, dass Varianten durch diesen Test nicht mehr erfasst werden.

Um im Fall einer positiven Immunantwort nach einer natürlichen Infektion weiter eine akute Phase unterscheiden zu können, lassen sich in einem weiteren Assay ausschließlich IgM-Antikörper nachweisen. Der von uns verwendete Test erkennt IgM-Antikörper, die gegen das N- und E-Antigen gerichtet sind, mit einer Spezifität von über 96 % (11).

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Übersicht über verwendete serologische und immunologische Corona-Tests.

Zelluläre Immunität

Neben der Bildung von Antikörpern kommt der zellulären Immunität eine überragende Bedeutung bei der SARS-CoV-2 Infektion zu. Lymphopenie ist ein typisches Merkmal bei moderaten bzw. schweren COVID-19-Verläufen und korreliert deutlich mit der Sterblichkeit (5). Eine stabile T-Zell-Antwort wird bei akuten Infektionen beobachtet, ebenso wie bei Genesenden. Dabei lassen sich etwa 26 Tage nach Symptombeginn sowohl CD4+ also auch CD8+ T-Zellen nachweisen. Die T-Zell-Immunität ist langandauernd und lässt sich 6 – 8 Monate nach Infektion noch nachweisen. Interessanterweise lassen sich kreuzreagierende T-Zellen auch bei 20 – 50 % der Gesunden finden, die sie möglicherweise bei Infektionen mit anderen humanen Corona-Viren generiert haben, zumeist im Rahmen saisonaler Erkältungen. Darüber hinaus geht die Bildung von spezifischen T-Zellen, die gegen das S-Antigen gerichtet sind, zumeist gemeinsam mit der Antikörper-Bildung gegen dieses virale Protein einher (6).

Sowohl die mRNA- als auch die vektor-basierten Impfstoffe induzieren – neben neutralisierenden Antikörpern – auch eine T-Zell-Antwort, die wesentlich zur Immunität beiträgt. T-Zellen, die spezifisch gegen das viralen S-Protein gerichtet sind, erreichen ca. 14 Tage nach Impfung ein Maximum. Bei Personen, die vor ihrer Impfung bereits erkrankt waren, bilden deutlich stärkere T-Zell-Antworten aus als Menschen, die zuvor noch keine Infektion mit SARS-CoV-2 hatten.

 

T-Zell-Tests

Die unterschiedlichen Testverfahren, um eine T-Zell-Antwort im Labor zu messen, beruhen auf der Tatsache, dass sowohl bei der CD4+ als auch CD8+ Antwort charakteristischerweise Interferon (IFN) freigesetzt wird. Daher misst man, nach Inkubation von T-Zellen mit viralen Antigenen, deren spezifische Produktion von IFN. Nach dem Vergleich zahlreicher Assays im Rahmen einer wissenschaftlichen Arbeit haben wir uns für einen Test entscheiden, der die INF-Freisetzung quantitativ bestimmt und daher eine Einschätzung der Stärke der zellulären Immunantwort generieren kann (1).

Dieser Test ermöglicht die Feststellung einer Immunreaktion insbesondere im Fall eines unklaren Antikörperstatus oder einer fehlenden Antikörperreaktion. Besonders vor dem Hintergrund, dass sowohl bei symptomatischen als auch asymptomatischen COVID-19-Patienten spezifische IgG-Antikörper im Laufe der Zeit verschwinden können, kann dann eine vergangene Infektion nur noch über die T-Zell-Aktivität nachgewiesen werden. Auch bei Abwesenheit spezifischer Antikörper zeigt der Nachweis einer spezifischen T-Zell-Antwort einen Immunschutz an.

Darüber hinaus kann mit dem T-Zell-Test die Immunreaktion nach einer COVID-19-Impfung überprüft werden. Dies kann vor allem für besondere Risikogruppen relevant sein, bei denen eine verminderte Antikörperreaktion zu erwarten ist, beispielsweise bei immunsupprimierten Patienten (1).

 

Fragestellungen in der klinischen Praxis

Die Kombination von molekularen mit serologischen Tests kann nicht nur die Detektion von COVID-19 verbessern; serologische Antikörper-Tests können auf kürzliche oder zurückliegende COVID-19-Infektionen hinweisen, beispielsweise wenn ein molekularer Test nicht durchgeführt wurde.

Die serologischen Tests, die Antikörper selektiv gegen die Rezeptor-Bindende Domäne (RBD) des S-Proteins bestimmen, erfassen auf qualitativer Weise neutralisierende Antikörper, wodurch der vorliegende Impfschutz abgeschätzt werden kann.

Die T-Zell-Tests ermöglichen die Feststellung einer Immunreaktion insbesondere im Fall eines unklaren Antikörperstatus. Bei sehr schwacher oder gar fehlender Antikörperreaktion, z. B. nach länger zurückliegender Impfung oder bei besonderen Risikogruppen – etwa immunsupprimierten Patienten – erlaubt er eine Abschätzung der vorliegenden Immunität gegen SARS-CoV-2.

Literatur

  • Euroimmun Medizinische Labordiagnostika AG. Quan-T-Cell SARS-CoV-2 & Quan-T-Cell-ELISA, 2021. https://www.coronavirus-diagnostik.de/documents/Indications/Infections/Coronavirus/ET_2606_D_DE_A.pdf
  • Feng, S. et al. Correlates of protection against symptomatic and asymptomatic SARS-CoV-2 infection. Nature Med, 2021, 27:2032-2040
  • Gilbert, P. B. et al. Immune correlates analysis of the mRNA-1273 COVID-19vaccine efficacy clinical trail. Science, 2022, 375:43 – 50
  • Jochum, S. et al. Clinical Utility of Elecsys Anti-SARS-CoV-2 S Assay in COVID-19 Vaccination: An Exploratoroy Analysis of the mRNA-1273 Phase 1 Trial. Front Immunol, 2021, 12: 798117
  • Ni, L. et al. Detection of SARS-CoV-2-specific humoral and cellular immunity in COVID-19 convalescent individuals. Immunity, 2020, 52:971 – 973.
  • Ong, D. et al. European Society of Clinical Microbiology and Infectious Diseases (ESCMID) Study Group for Respiratory Viruses (ESGREV). How to interpret and use COVID-19 serology and immunology tests. Clin Microbiol Infect, 2021, 27(7):981-986.
  • Riester, E. et al. Multicentre Performance Evaluation of the Elecsys Anti-SARS-CoV-2 Immunoassay as an Aid in Determining Previous Exposure to SARS-CoV-2. Infect Dis Ther, 2021, 10:2381 – 2397
  • Roche Diagnostics Deutschland GmbH. Elecsys Anti-SARS-CoV-2 S. 2020. https://a.storyblok.com/f/94122/x/5664b636a2/factsheet-elecsys-anti-sars-cov-2-s_v1.pdf und https://a.storyblok.com/f/94122/x/1fdddae2b8/elecsys_anti_sars-cov_2_s_factsheet_ergebnisse_nach_impfung_mit_biontech_pfizer.pdf
  • Tan, C. W. et al. A SARS-CoV-2 surrogate virus neutralization test based on antibody-mediated blockage of ACE2-spike Protein-Protein interaction. Nature Biotech., 2020, 38:1073-1078
  • Wang, Z. et al. mRNA vaccine-elicited antibodies to SARS-CoV-2 and circulating variants. Nature, 2021, 592:616–622
  • Wanzhou, X. et al. The diagnostic value of joint detection of serum IgM and IgG antibodies to 2019-nCoV in 2019-nCoV infection. Chin J Lab Med, 2020, 3(43): 230-233.