Durable immunity against SARS-CoV-2 Omicron: booster vaccination and hybrid immune responses

Abstract

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in late 2019, causing the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic with profound global impacts, prompting urgent vaccine development that achieved high efficacy against initial strains. Nevertheless, the virus's antigenic evolution led to variants capable of immune evasion, particularly Omicron in 2021 and its sublineages, which fueled widespread infections through numerous spike protein mutations that impair neutralizing antibody binding. Elucidating the long-term durability of immunity against Omicron is crucial for advancing understanding of sustained defense and refining public health vaccination strategies.

COVID-19 vaccines elicit adaptive immune responses, including humoral immunity via binding and neutralizing antibodies and cell-mediated immunity through memory T and B cells. In this study, we longitudinally monitored the immune responses of vaccinated Finnish healthcare workers over more than three years. We used enzyme immunoassay (EIA) to analyze binding immunoglobulin G (IgG) antibodies, a microneutralization test (MNT) to quantify neutralizing antibodies against Omicron variants, and an activation-induced marker (AIM) assay with flow cytometry to measure CD4⁺ and CD8⁺ T cell activation. In addition, we developed an ELISpot assay to quantify the number of memory B cells.

The results indicate differences between vaccine types and regimens. However, in all cases, antibody levels gradually waned after each dose but were effectively restored by following boosters, though Omicron variants exhibited partial escape from neutralization. Hybrid immunity sustained elevated antibody levels and broader cross-neutralization against variants. T cells were durable and cross-reactive against Omicron, memory T cell subsets persisted, and functional memory B cells were maintained. These findings underscore the persistence of T cells and hybrid immunity against Omicron variants, simultaneously emphasizing the value of booster vaccinations in maintaining protection.

--- Koronavirus SARS-CoV-2 ilmaantui loppuvuodesta 2019, aiheuttaen koronavirus tauti COVID-19-pandemian, jolla oli huomattavia globaaleja vaikutuksia. Tämä johti myös kiireelliseen rokotteiden kehitykseen. Rokotteilla oli hyvä teho aiempia variantteja vastaan, mutta antigeenisen evoluution myötä kehittyi immuniteettia väistämään kykeneviä, uusia variantteja. Erityisesti Omicron, joka ilmaantui 2021 lopulla, sekä sen alavariantit saivat aikaan laajoja infektioaaltoja, välttäen neutraloivien vasta-aineiden sitoutumisen lukuisten piikkiproteiini-mutaatioidensa ansiosta. Omicronia vastaan säilyvän pitkän aikavälin immuunisuojan selvittäminen on ratkaisevan tärkeää ymmärryksen lisäämisessä immuunisuojan kestävyyteen liittyvistä tekijöistä sekä suunniteltaessa julkisen terveydenhuollon rokotusstrategioita.

Koronavirustauti COVID-19 aktivoi hankittua immuniteettia sekä humoraalisen immuniteetin ja siihen kuuluvien sitoutuvien ja neutraloivien vasta-aineiden kautta, että soluvälitteisen immuniteetin ja T- ja B-solujen kautta. Tässä väitöskirjassa pitkäaikaisseurattiin suomalaisten rokotettujen terveydenhuollon työntekijöiden immuunivasteita yli kolmen vuoden ajan. Seurannassa käytettiin EIA-vasta-aine testiä sitoutuvien immunoglobuliini G (IgG) -vasta-aineiden analysoimiseksi, mikro neutralisaatiotestiä neutraloivien vasta-aineiden mittaamiseksi Omicron-variantteja vastaan, sekä aktivaatiomääritystä ja virtaussytometriaa CD4+ ja CD8+ T solujen aktivaation mittaamiseksi. Lisäksi pystytimme ELISpot-vasta-ainetestin muisti-B solujen mittaamiseksi.

Tulokset osoittavat, että käytetyillä rokotetyypeillä ja rokotusohjelmilla on keskinäisiä eroja. Joka tapauksessa vasta-ainetasot laskivat asteittain jokaisen rokotusannoksen jälkeen, mutta seuraavat tehosteannokset palauttivat ne tehokaasti jälleen korkealle tasolle, vaikkakin neutralisaation havaittiin osittain heikkenevän Omicron-virusvarianttia vastaan. Hybridi-immuniteetti ylläpiti korkeita vasta ainetasoja ja laajaa varianttien ristiinneutralisaatiota. T-solut säilyttivät pitkäkestoisen ristisuojan Omicronia vastaan ja muisti-T- sekä B-solujen aktivaatio säilyi hyvin. Tulokset korostavat T-solujen ja hybridi-immuniteetin kestävyyttä, sekä samalla tehosterokotusten tärkeyttä pitkäkestoisen immuunisuojan ylläpidossa.