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單細(xì)胞免疫分析同源或異源加強(qiáng)疫苗接種增強(qiáng)SARS-CoV-2體液免疫的細(xì)胞基礎(chǔ)
Hello！大家好呀，今天小編給大家?guī)?lái)復(fù)旦大學(xué)張文宏、姜寧等人本月發(fā)表在Cell Discovery（IF=38.079）的本章——“Cellular basis of enhanced humoral immunity to SARS-CoV-2 upon homologous or heterologous booster vaccination analyzed by single-cell immune profiling”在這片文章中，作者研究了同源BBIBP-Corv/BBIBP-Corv或異源BBIBP-Corv/ZF2001的受者在超過(guò)6個(gè)月的加強(qiáng)劑量免疫后抗體反應(yīng)和單細(xì)胞免疫圖譜的持久性。兩種強(qiáng)化方案都顯著增加了中和抗體的產(chǎn)生，抗體可以持續(xù)至少六個(gè)月。該研究揭示了加強(qiáng)免疫誘導(dǎo)記憶/適應(yīng)性體液免疫的細(xì)胞機(jī)制，并提出了在未來(lái)迭代中優(yōu)化疫苗效力和持久性的潛在策略。
2019年底到現(xiàn)在，新冠肺炎已感染5億多例病例，世界衛(wèi)生組織已報(bào)告了600多萬(wàn)死亡病例。疫苗接種控制疫情的基石。全球范圍內(nèi)，已經(jīng)接種了近數(shù)十億劑各種新冠肺炎疫苗。臨床評(píng)估疫苗誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)通常涉及免疫原性、安全性和保護(hù)效果。疫情期間開(kāi)發(fā)的不同疫苗中，滅活疫苗目前在中國(guó)和世界其他地區(qū)廣泛使用。
接種疫苗后，免疫系統(tǒng)保持記憶能力，防止后續(xù)感染，防止疾病發(fā)展到嚴(yán)重階段。適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的記憶細(xì)胞和體內(nèi)巡邏的抗體可以識(shí)別入侵者，并在再次遇到時(shí)產(chǎn)生快速反應(yīng)。這些成分在體內(nèi)持續(xù)的時(shí)間決定了免疫記憶的持久性。在大多數(shù)研究中，這些都是通過(guò)抗體的滴度和光譜以及抗原特異性B細(xì)胞和T細(xì)胞的大小來(lái)量化的?？贵w滴度在初級(jí)疫苗系列接種后下降，因此主張?jiān)黾觿┝?。然而，在加?qiáng)劑量后，針對(duì)以前和當(dāng)前循環(huán)中的變種的抗體的持久性，增強(qiáng)激活的B細(xì)胞免疫的確切細(xì)胞過(guò)程，以及記憶B細(xì)胞可以持續(xù)多久，都是不清楚的。該研究對(duì)同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或異源BBIBP-CorV/ZF2001的受體進(jìn)行了超過(guò)6個(gè)月以上的增強(qiáng)劑量免疫后抗體應(yīng)答的持久性和單細(xì)胞免疫譜進(jìn)行了研究。兩種強(qiáng)化方案都顯著提高了中和抗體的產(chǎn)生，抗體可以持續(xù)至少6個(gè)月。
作者對(duì)所有登記的接受者進(jìn)行了假病毒中和試驗(yàn)（PVNT）實(shí)驗(yàn)，并評(píng)估了同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或異源BBIBP-CorV/ZF2001加強(qiáng)疫苗接種后的中和滴度(圖1a)。在6個(gè)月的隨訪期內(nèi)，異源組的pVNT值顯著高于同源組。
BBIBPCorV/ZF2001組在加強(qiáng)劑量后180天的Omicron pVNT水平是基線的6.35倍，而B(niǎo)BIBP-corv/BBIBP-corv組的水平是基線的3.56倍。在加強(qiáng)接種后180天內(nèi)，原型菌株的pVNT滴度趨勢(shì)與針對(duì)Omicron變體的趨勢(shì)相似(圖1b)。兩種增強(qiáng)劑都能誘導(dǎo)長(zhǎng)期產(chǎn)生抗RBD抗體(圖1c)。此外，異源組的抗體水平高于同源組。
接下來(lái)，將接種后6個(gè)月的抗體消退與其他已發(fā)表的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)，異源加強(qiáng)免疫策略在誘導(dǎo)可持續(xù)體液免疫方面顯示出一定的優(yōu)勢(shì)。
接下來(lái)，使用scRNA-seq和SCV(D)J-seq來(lái)研究同種和異源加強(qiáng)免疫后免疫細(xì)胞譜和B細(xì)胞克隆的動(dòng)態(tài)變化。
在scRNA-seq組的D0、D3、D14、D90和D180啟動(dòng)子上進(jìn)行病毒中和試驗(yàn)（sVNT ）。發(fā)現(xiàn)，B細(xì)胞免疫在接種后兩周內(nèi)迅速激活，此后逐漸下降。6個(gè)月中，異源強(qiáng)化組的SVNT滴度總體上高于同源組。然而，中和活性在高抗體滴度組和低抗體滴度組均保持不變。在同源強(qiáng)化組中也觀察到了同樣的現(xiàn)象。在異源組(PrSV)中，分為四分位數(shù)最高的受試者(PrSV H組)和四分位數(shù)最低的受試者(PrSV L組)。接種6個(gè)月后，PrSV H組的抗體水平是iNAV H組的5.66倍(圖2b)。
在加強(qiáng)免疫前(D0)和接種后D3、D14、D90和D180采集外周血單核細(xì)胞(PBMC)(圖2a)。經(jīng)定性篩選，共獲得454,202個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄本。通過(guò)signature基因識(shí)別了六種主要的已知細(xì)胞類(lèi)型，包括B細(xì)胞、T細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞(DC)、單核細(xì)胞、自然殺傷(NK)細(xì)胞和造血干細(xì)胞(圖2 c,d)。除了轉(zhuǎn)錄組分析外，我們還利用單細(xì)胞B細(xì)胞受體(BCR)測(cè)序(scBCR-seq)來(lái)研究B細(xì)胞免疫激活期的克隆性擴(kuò)張和記憶期的持久性。
在B細(xì)胞群體中，有三種主要的亞型：na?ve B細(xì)胞、記憶B細(xì)胞和漿細(xì)胞(圖3a，b)。漿細(xì)胞作為抗體分泌的主要來(lái)源，在加強(qiáng)免疫后表現(xiàn)出快速的克隆性擴(kuò)張(圖3c)。異源組比同源組表現(xiàn)出更早的擴(kuò)張動(dòng)力學(xué)。擴(kuò)增克隆的主要BCR亞型在同源組中為IGHA2和IGHG2，在異源組中為IGHA1和IGHG1(圖3d)，表明不同啟動(dòng)子誘導(dǎo)的體液免疫存在質(zhì)的差異。與克隆性擴(kuò)增一致，異源組漿細(xì)胞增殖較早(圖3e)。GO富集分析顯示，異源組漿細(xì)胞中與蛋白質(zhì)翻譯、折疊和糖基化相關(guān)的基因表達(dá)水平較高。此外，線粒體中的氧化磷酸化更加明顯(圖3f)。這些特征可以部分解釋異源組產(chǎn)生較高抗體的原因。
為了研究加強(qiáng)免疫后B細(xì)胞的來(lái)源，作者計(jì)算了D3/D14的漿細(xì)胞擴(kuò)增克隆之間共享的BCR克隆和D0/D3/D14檢測(cè)到的總記憶B細(xì)胞克隆(圖4 a)。在漿細(xì)胞中檢測(cè)到的134個(gè)擴(kuò)增克隆是疫苗相關(guān)克隆，其中17個(gè)克隆與部分記憶B細(xì)胞共享BCR，表明SARS-CoV-2特異性記憶B細(xì)胞被召回。另有11個(gè)擴(kuò)增的漿細(xì)胞克隆在D0/D3與na?ve B細(xì)胞共享BCR，這表明加強(qiáng)免疫后B細(xì)胞的激活和分化。與從頭克隆相比，召回的克隆顯示出更高的體細(xì)胞超突變(SHM)(圖4 b)和同型轉(zhuǎn)換(圖4 c)的頻率，這表明召回的克隆產(chǎn)生的抗體可能具有更好的活性和廣度。
在D3/D14檢測(cè)到的1293個(gè)擴(kuò)展記憶BCR克隆中，有380個(gè)是在D90/D180檢測(cè)到的，顯示出良好的B細(xì)胞記憶持久性(圖4d)。與在D90/D180檢測(cè)到的全部BCR克隆相比，這些共享克隆中約60%表達(dá)Ig A或Ig G(圖4e)，這與它們的記憶細(xì)胞來(lái)源一致。此外，這些持久克隆的SHM頻率高于總克隆(圖4F)。D180的持久克隆的SHM頻率甚至高于D90的SHM頻率(圖4G)，這表明抗體親和力持續(xù)成熟。
不同的受者對(duì)同種或異源加強(qiáng)免疫表現(xiàn)出高度不同的抗體效果。將同源和異源加強(qiáng)免疫受者重新分組為高抗體滴度組和低抗體滴度組，分析了調(diào)節(jié)抗體應(yīng)答的關(guān)鍵免疫學(xué)途徑，即抗原遞呈和濾泡輔助T細(xì)胞激活。
cDCs的抗原提呈活性與抗體效果呈正相關(guān)(圖5a)。而pDC或單核細(xì)胞活性與抗體滴度呈負(fù)相關(guān)。而cDC抗原提呈與抗體效果的相關(guān)性?xún)H在D0時(shí)明顯(圖5b)，這表明cDC功能起著關(guān)鍵作用。此外，在D0時(shí)，高抗體滴度組的cDC中Toll樣受體信號(hào)和細(xì)胞因子信號(hào)(腫瘤壞死因子、干擾素和IL-1)更活躍，這可能導(dǎo)致cDC激活(圖5c)。GO-BP富集分析表明高抗體滴度組的cDC具有更好的細(xì)胞活化、細(xì)胞黏附和抗原提呈(圖5d)。因此，cDC的激活和功能可能是觸發(fā)加強(qiáng)子誘導(dǎo)的抗體反應(yīng)的關(guān)鍵。
在cDC和B細(xì)胞之間，T細(xì)胞起著至關(guān)重要的橋梁作用。在接受cDC的抗原刺激后，部分T細(xì)胞分化為濾泡輔助T細(xì)胞(Tfh)，幫助B細(xì)胞分化為漿細(xì)胞和記憶細(xì)胞。在D14，高抗體滴度組的Tfh細(xì)胞比例顯著高于低抗體滴度組(圖6a)。GO-BP富集分析進(jìn)一步表明，在D3/D14高抗體滴度組Tfh細(xì)胞中上調(diào)的基因與病毒應(yīng)答有關(guān)(圖6b)。細(xì)胞通訊分析表明，在D3/D14和D90/D180(圖6c)，高抗體滴度組CDC、Tfh細(xì)胞和B細(xì)胞之間的關(guān)聯(lián)更強(qiáng)，這表明在高抗體滴度組中，SARS-CoV-2免疫背后的生物學(xué)過(guò)程更活躍，包括抗原遞呈和有助于B細(xì)胞成熟的Tfh細(xì)胞的激活。
接著作者研究了參與體液反應(yīng)的免疫細(xì)胞的能量代謝動(dòng)力學(xué)。在所有類(lèi)型的細(xì)胞中，CDCs表現(xiàn)出最活躍的能量代謝，既參與糖酵解，又參與氧化磷酸化（OXPHOS）。Tfh細(xì)胞也參與糖酵解和OXPHOS，但程度較低。然而，記憶B細(xì)胞和漿細(xì)胞更多地依賴(lài)于OXPHOS而不是糖酵解。在高抗體滴度組，谷氨酰胺分解途徑在所有四種細(xì)胞類(lèi)型中都上調(diào)。同時(shí)，在四種細(xì)胞類(lèi)型中，高抗體滴度組的脂肪酸氧化途徑表現(xiàn)出輕微但顯著的上調(diào)。糖酵解途徑表現(xiàn)出相對(duì)復(fù)雜的模式。例如，與低抗體滴度組相比，高抗體滴度組的糖酵解水平在D0時(shí)相似，在D3/D14時(shí)上調(diào)，在D90/D180時(shí)下調(diào)（圖7a）。
磷酸戊糖途徑(PPP)是一種與糖酵解平行的代謝途徑，促進(jìn)合成代謝而不是分解代謝。PPP在cDC中高度活躍，而在其他類(lèi)型的細(xì)胞中表現(xiàn)出極低的激活。當(dāng)比較高抗體滴度組和低抗體滴度組時(shí)，高抗體滴度組cDC的PPP在早期時(shí)間點(diǎn)更活躍。己糖胺生物合成途徑(HBP)是糖酵解的一個(gè)分支，它產(chǎn)UDP-GlcNAc用于蛋白質(zhì)糖基化。漿細(xì)胞參與活性HBP是因?yàn)樘腔瘜?duì)抗體活性至關(guān)重要。相比之下，記憶B細(xì)胞表現(xiàn)出極低的HBP活性。漿細(xì)胞的HBP活性與抗體效價(jià)也有明顯的相關(guān)性。
在這項(xiàng)研究中，作者發(fā)現(xiàn)同源或異源第三劑加強(qiáng)疫苗對(duì)健康成年人具有高度的免疫原性，并且免疫反應(yīng)至少持續(xù)6個(gè)月。異源增強(qiáng)劑誘導(dǎo)漿細(xì)胞更快、更強(qiáng)勁的激活，導(dǎo)致更高的抗體產(chǎn)生。同種或異源加強(qiáng)免疫均可誘導(dǎo)B細(xì)胞的記憶回憶和從頭激活，而誘導(dǎo)的抗體亞型在兩種加強(qiáng)免疫中有顯著差異。cDCs和Tfh細(xì)胞的激活與抗體效價(jià)呈正相關(guān)?；钴S的能量代謝，特別是谷氨酰胺分解對(duì)抗體的產(chǎn)生也是至關(guān)重要的，作者發(fā)現(xiàn)了了一種潛在的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充策略，可以提高疫苗的效力。
