Science Immunology:综合纵向免疫表型、转录和库分析描绘了COVID-19患者的免疫反应

β冠状病毒SARS-CoV-2是2019年冠状病毒病(COVID-19)大流行的病原体，其特征是流感样疾病，最终可发展为间质性肺炎、急性呼吸窘迫综合征和死亡。严重COVID-19的显著特征之一是潜在致命的全身炎症，可能源自失调的I型干扰素(IFN)反应和促炎细胞因子(如白介素[IL]6和[IL-1β]的过度释放)。

在绝大多数感染者中，适应性免疫反应对于在几周内终止SARS-CoV-2感染至关重要，在恢复期个体中检测到针对SARS-CoV-2的细胞和体液免疫反应，由CD4+和CD8+T淋巴细胞以及对几种病毒蛋白(如核蛋白和刺突糖蛋白)特异的抗体产生，刺突蛋白是中和抗体的主要目标。然而，关于在COVID-19患者中发展成功免疫反应的知识是不完整和复杂的，因为不同模式的免疫反应的发生与过多的协变量相关。

图片来源：https://doi.org/10.1126/sciimmunol.abg5021

研究者为了对成功处理轻度或重度COVID-19的患者产生的免疫反应的时间演变提供新的见解，在患者的外周血单核细胞(PBMC)的单细胞水平上整合了表型、转录和库分析。尽管循环免疫细胞仅占整个身体池的一小部分，但它们很容易获得，并且可以合理地代表正在进行的免疫反应。所进行的分析表明，在SARS-CoV-2感染期间和之后，免疫细胞发生了广泛而持久的重塑，其特征是普遍存在I型IFN反应，并强调了强大的CD8+T细胞免疫反应，其定义为效应淋巴细胞的扩增和记忆前体效应细胞(MPEC)的产生。

表型分析可识别疾病演变过程中COVID-19患者的免疫特征 图片来源：https://doi.org/10.1126/sciimmunol.abg5021

在感染期间，COVID-19患者尤其是重症患者，T淋巴细胞减少，尤其是CD8+T细胞减少，单核细胞比例增加，而B淋巴细胞的频率变化很大；相反，自然杀伤(NK)细胞显著扩增，尤其是在患有轻度疾病的受试者中；除了NK细胞的频率持续增加外，不同PBMC群体的比例在感染后趋于正常化。在T淋巴细胞中，严重疾病患者的CD8+细胞在感染期间表现出效应记忆细胞(CD45RO+、CCR7-)频率降低和IFN-γ生产能力降低；在B细胞群中，在感染期间患有轻度疾病的受试者的总记忆B细胞更为丰富，浆母细胞的频率是可变的，轻度患者的增加往往是短暂的，而严重疾病的患者则较小但持续。

研究者过ELISA测量了抗SARS-CoV-2抗体血浆水平，评估了IgM、IgA和IgG多克隆与N蛋白以及N端S1、受体结合域(RBD)和C端刺突蛋白的S2结构域，RBD在所有COVID-19患者中刺激了相当均匀的抗体反应，而S1和S2倾向于被患有严重疾病的受试者的抗体更好地识别；还检测到针对这两种蛋白质的IgA，并且在重症患者中往往更高，而IgM在重症患者中更丰富，主要识别RBD，而抗N IgM几乎检测不到。为了评估潜在保护性抗体的存在，研究者测试了血浆样品阻断重组RBD蛋白与稳定表达hACE2受体的HEK293T细胞系结合的能力，与轻症患者相比，重症患者的结合中和率更高，并且在感染消退后两个患者组中的结合率均有所增加。

COVID-19患者的单核细胞和NK细胞表型 图片来源：https://doi.org/10.1126/sciimmunol.abg5021

转录分析确定了七个单核细胞簇，其中一个主要由来自HD(Mo5)的细胞组成，在感染过程中，轻度和重度患者的单核细胞以两个簇的流行为特征，分别为Mo1和Mo3。差异表达和基因本体分析表明，Mo1簇表达高水平的HLA-II基因，类似于单核细胞分化为树突细胞，而Mo3簇由I型IFN反应基因的表达升高定义；患有严重疾病的患者的特征还在于缺乏与炎症消退相关的非经典单核细胞(Mo4)并且在病毒清除后出现。感染后阶段的标志是出现两个额外的簇(Mo6和Mo7)，其中簇Mo6显示激活(FOS、JUN、CD83)和促炎(IL1B、CCL3、CCL4和TNF)特征，在轻度患者中更广泛。

这些数据表明，与轻度疾病患者相比，来自重症COVID-19患者的单核细胞显示出上调的I型IFN反应特征，并且HLA-II基因表达显著降低。

转录分析确定了3个主要的自然杀伤(NK)细胞簇：簇0和1的特征是NCAM1(CD56)的低表达与FCGR3A(CD16)和几个KIR的高表达平行，因此类似于CD56dimCD16+细胞毒性NK细胞。CD56dimCD16+和CD56brightCD16–NK细胞的相对频率在感染期间和感染后的轻度疾病患者以及感染期间的重度疾病患者中增加，而感染后重度疾病个体中三种NK亚群的比例与在HD中观察到的相似。比较转录分析表明，在感染期间，来自轻度患者的NK细胞表达了更高水平的CD56brightCD16–细胞因子产生细胞的典型基因，如KLRC1、GZMK、XCL1和XCL2，还表现出“适应性”NK细胞的特征，如KLRC2、CD5和IL32的表达；来自重症患者的NK细胞反而上调了CD56dimCD16+效应细胞(如CX3CR1和KIR)特征性基因的转录,但激活受体KLRC2 (NKG2C) 和一些细胞毒性分子(如GNLY和FGFBP2)的表达受损；来自重症患者的NK细胞也表达了更多的干扰素反应基因，这是“发炎”NK细胞的特征；感染后的NK细胞，尤其是患有严重疾病的患者，上调NCR3 (NKp30)、HAVCR2 (TIM-3)和WDR74的表达，这些是终末分化NK细胞的特征。这些数据表明，尽管亚群频率相似，但来自轻度和重度疾病患者的NK细胞激活了不同的转录程序，这可能是控制病毒感染的不同能力的基础。

该研究表明细胞毒性T淋巴细胞的激活标志着针对SARS-CoV-2的自然免疫反应，根据协调T 和B细胞免疫反应与COVID-19预后呈正相关的证据，已开发出多种针对SARS-CoV-2的有效疫苗，可引发抗原特异性CD4+和CD8+T淋巴细胞和SARS -CoV-2中和抗体。验证抗SARS-CoV-2疫苗是否能够促进类似的T辅助克隆扩增以引发持久的保护性免疫，并比较自然感染和疫苗诱导的免疫记忆将是一个持续讨论的主题。（生物谷 bioon）

参考文献

Samuele Notarbartolo et al. Integrated longitudinal immunophenotypic, transcriptional and repertoire analyses delineate immune responses in COVID-19 patients. SCIENCE IMMUNOLOGY (2021 Aug 10) doi：https://doi.org/10.1126/sciimmunol.abg5021