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综合纵向免疫表型、转录和库分析 COVID-19 患者的免疫反应

2021-08-15 阅读(89)

为了了解针对 SARS-CoV-2 的保护性免疫反应如何随着时间的推移而发展,我们对感染期间和感染后来自轻度和重度 COVID-19 患者的 PBMC 进行了表型、转录和库分析,并将它们与健康供体 (HD) 进行了比较。I型干扰素反应特征标记了感染期间重症患者的所有免疫群体。体液免疫主要是针对 RBD 和 N 蛋白的 IgG 产生,中和抗体滴度在感染后和疾病严重程度增加。记忆 B 细胞,包括非典型 FCRL5+ T-BET+记忆亚群,在感染期间增加,尤其是在轻症患者中。效应记忆显着减少,CD8+ T 细胞频率表征患有严重疾病的患者。尽管有这种损伤,我们观察到 CD8+ T 淋巴细胞的强大克隆扩增,而 CD4+ T 细胞扩增较少并偏向 TCM和 TH 2 样表型。MAIT 细胞也被扩增,但仅限于患有轻度疾病的患者。终末分化的 CD8+ GZMB+效应细胞在感染期间和感染后均被克隆扩增,而 CD8+ GZMK+淋巴细胞在感染后扩增更多,代表了真正的记忆前体效应细胞。TCR 谱分析显示,只有高度增殖的 T 细胞克隆型(包括 SARS-CoV-2 特异性细胞)在感染后得以维持,并在 CD8+ GZMB+和 GZMK+亚群之间共享。总体而言,这项研究描述了针对 SARS-CoV-2 的免疫力的发展,并确定了具有记忆前体样特征的效应 CD8+ T 细胞群。

 

讨论

有关 COVID-19 患者免疫反应时间演变的知识对于解释 SARS-CoV-2 适应性免疫和优化有效疫苗特别有价值。在这项研究中,我们整合了单细胞表型和库分析,以研究 COVID-19 患者在急性疾病期间和感染消退后具有轻度和重度症状的免疫反应。收集到的数据描述了这些患者免疫反应的发展,表明 CD8+ T 淋巴细胞在清除 SARS-CoV-2 感染中发挥着重要作用。

我们证实,SARS-CoV-2 感染会导致循环免疫细胞群的重塑,尤其是在患有严重疾病的患者中。免疫重塑与在感染解决后持续数周的转录水平上普遍的、分级的和持久的变化相呼应。对这种长期扰动的更深入理解可能会为 COVID-19 后综合征提供新的见解。我们观察到广泛的转录改变的特征是普遍存在的 I 型 IFN 反应特征,该特征跨越所有免疫群体,尤其是涉及单核细胞。I型IFN信号传导在针对病毒和重症COVID-19(其损害或颞失调关联的先天免疫应答的显着的作用。一些研究强调,与其他呼吸道病毒感染相比,COVID-19 中的 I 型 IFN 信号传导较低 。尽管与症状较轻的受试者相比,患有严重疾病的受试者的干扰素反应强度更高并且与病毒载量相关,但在危重患者中观察到相反的情况。与症状较轻的个体相比,我们在重度疾病患者中发现了上调的 I 型 IFN 响应基因特征,同时伴随着抗原呈递转录程序受损和非经典单核细胞的缺乏,以及重度 COVID-19 的其他突出特征例。

NK 细胞在防御病毒感染方面至关重要,因为它们会杀死受感染的细胞并弥合先天免疫反应与最佳适应性免疫设置之间的差距。我们发现感染期间轻度疾病患者 NK 细胞的频率增加,这些细胞最初是在人类巨细胞病毒感染中发现的,并且可以形成一个类似记忆的细胞池。相反,来自患有严重疾病的患者的 NK 细胞在感染期间显示出细胞毒性分子的产生受损,并倾向于“发炎”表型,其对其抗病毒活性的影响需要进一步研究。

病原体特异性抗体是防止病毒再感染的基础。抗体反应的程度与病毒载量和疾病严重程度相关 。我们的数据显示中和抗体的数量随着疾病的严重程度而增加,并且在感染后更高。尽管如此,重症患者的中和效价并不完全符合针对 RBD 的抗体反应动力学,这表明针对其他 S 结构域的抗体可能有助于中和 RBD 与宿主细胞的结合。我们的数据证实,N 和 RBD 蛋白代表免疫显性抗原,引起最高的 IgG 滴度。尽管抗体反应以 IgG 为主,但我们也主要在患有严重疾病的患者中检测到 IgA,这可能导致严重 COVID-19 的组织损伤。IgM 反应在患有严重疾病的患者中也更高,主要针对 RBD,并且在感染后持续存在,这表明这些患者可能经历了抗体反应的延迟引发。

随着记忆B细胞的COVID-19在患者的总体增加,我们发现了感染。非典型记忆 B 淋巴细胞被认为功能受损,但最近的证据表明它们是成熟且反应最佳的细胞 。此外,它们升高的 T-bet 表达可能是激活状态的基础,并表明它们可以启动独立于 T 细胞的免疫反应。这一特征连同诱导 IgG2a 类别转换的能力,可能有助于改善抗病毒保护,因为病毒可以在体内充当 T 细胞非依赖性抗原。

至于单核细胞,我们在 B 细胞中观察到各种 I 型 IFN 反应基因的上调,特别是在感染期间患有严重疾病的患者中。此外,这些细胞中 HLA-II 基因表达的下调表明 SARS-CoV-2 感染会损害不同类型 APC 的抗原呈递能力。最后,对 B 细胞库的分析表明,感染期间检测到的扩增 B 细胞克隆与感染后回收的那些不同。需要对患者进行长时间的监测,以将扩增克隆型的存在与体液免疫的获得相关联。

T 淋巴细胞在应对病毒感染和建立保护性免疫记忆方面至关重要,因为细胞毒性 CD8+ T 淋巴细胞会杀死受感染的细胞,而 CD4+ T 辅助细胞提供信号以优化有效且持久的适应性免疫反应。在 COVID-19 患者中,T 细胞在丰度和表型方面都经历了广泛的重塑。我们发现来自轻度疾病受试者的 T 辅助淋巴细胞富含 TH 17 和 TH 1 * 样细胞。T 辅助淋巴细胞部分偏向 TCM和 TH严重疾病患者的 2 样表型。当关注在 SARS-CoV-2 特异性 T 细胞中富集的扩增克隆型时,同样的趋势得以保持甚至增强。有趣的是,在致命的 SARS-CoV 感染和严重的 COVID-19 病例中可以观察到增强的 2 型免疫反应,并且对其他呼吸道感染具有不利影响。在感染期间,来自重症患者的CD4+ T 淋巴细胞也表现出 TCM样亚群的出现,其特征是 I 型 IFN 反应特征。在该特征中上调的基因中,X 连锁细胞凋亡抑制剂 (XIAP) 相关因子 1 基因 ( XAF1) 在压力条件下触发细胞凋亡并可以诱导 COVID-19 患者的 T 淋巴细胞凋亡增加,这表明 T 细胞存活受损可能是导致严重疾病患者淋巴细胞减少的因素之一。此外,我们发现来自严重疾病患者的扩增 CD4+ T 淋巴细胞表达了更多的促凋亡基因和更低水平的效应分子,这表明健康受损,并且在建立有效的抗病毒反应方面可能存在缺陷。

CD8+ T淋巴细胞具有感染性。尽管如此,我们观察到与 HD 相比,患者中非初始 T 淋巴细胞的频率相对增加。这些细胞可以区分为颗粒酶B+、颗粒酶K+和MAIT 细胞。轻度和重度 COVID-19 患者中 CD8+ T 淋巴细胞的不同比例可能表明细胞介导的免疫反应在质量或时间上存在差异,具体取决于疾病的严重程度。

COVID-19 患者转录组和 TCR 库的纵向综合分析加上免疫表型分析使我们能够通过比较和对比克隆扩增的 T 淋巴细胞的表型作为代理来描述 SARS-CoV-2 感染个体中 T 细胞反应的演变用于抗原特异性细胞。在这里,我们展示了 scTCR-seq 检测到的扩增克隆型包括一些 SARS-CoV-2 特异性 T 细胞。我们观察到,与 HD 相比,COVID-19 患者的CD8+ T 淋巴细胞克隆扩增增强,表明患者正在进行适应性细胞反应,尽管在患有严重疾病的受试者中得到抑制。CD8+ T 细胞克隆扩增与不太明显的 CD4+T 淋巴细胞克隆扩增,类似于在其他急性病毒感染中所描述的。在 CD8+ T 淋巴细胞中,我们发现表达高水平细胞毒性分子的GZMB+效应细胞在所有 COVID-19 患者的感染期间和感染后均显着扩增,无论疾病严重程度如何。相反,GZMK+淋巴细胞显示出记忆样细胞的几种特征并且效应分子的表达较低,它们在感染后优先扩增,并在清除病原体数月后以更高的比例保留,可能代表 MPEC。MPEC 的出现可能表明病毒感染已消退,因为在感染后期减少的抗原刺激会增强记忆细胞的产生,而持续暴露于抗原刺激会促进末端效应器的分化。因此,膨胀的 TC1 GZMK+ 的出现淋巴细胞可能代表 COVID-19 解决的预后因素。另一个有趣的观察结果是在轻度患者中存在扩增的 MAIT 细胞。尽管这些细胞的主要特征在于它们能够特异性识别 MHC 类 I 样分子 MR1 呈递的细菌和真菌代谢物,但它们具有响应激活的抗病毒能力。MAIT 细胞是否可以抑制 SARS-CoV-2 复制以及哪些因素会调节它们在 COVID-19 患者中的频率,需要进一步研究。

总之,我们的数据表明,细胞毒性T淋巴细胞的激活标志着对SARS-CoV-2的自然免疫反应。有证据表明,协调的T细胞和B细胞免疫反应与COVID-19的预后呈正相关,与此相一致的是,各种针对SARS-CoV-2的有效疫苗已经被开发出来,这些疫苗可以引起抗原特异性CD4+和CD8+T淋巴细胞和SARS-CoV-2中和抗体。由感染和疫苗引起的对SARS-CoV-2的保护性免疫的持续程度是一个正在讨论的话题。SARS-CoV特异性记忆T淋巴细胞在感染后持续多年,而SARS-CoV-2特异性记忆T和B细胞在感染后持续数月,暗示了长期免疫力。抗原特异性MPECs的检测可能代表了持久记忆的早期阶段的相关性。我们观察到的CD4+T淋巴细胞有限的克隆扩展与CD8+T淋巴细胞的克隆扩展相反,但与在其他急性病毒感染模型(如YFV疫苗接种)中观察到的病毒无关的个体一致。与第一次挑战相比,YFV召回疫苗诱导了更高的抗原特异性CD4+T细胞的扩张。验证抗SARS-CoV-2疫苗是否能够促进类似的T辅助细胞克隆扩增以引起持久的保护性免疫力,以及比较自然感染和疫苗诱导的免疫记忆将是很有趣的。

总的来说,这项研究描述了轻度或重度 COVID-19 个体适应性免疫反应的发展。它通过描绘可能产生针对 SARS-CoV-2 的保护性记忆的效应 GZMK+ CD8+ T 淋巴细胞群的特征,提供了对 SARS-CoV-2 的 T 细胞驱动免疫反应的产生的见解。原文链接:https://immunology.sciencemag.org/content/6/62/eabg5021.full

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