前言

2022年10月22日，復旦大學張文宏、姜寧、仇超及中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心許琛琦共同通訊于Cell Discovery (IF:38.079)在線發(fā)表了同源或異源加強疫苗增強SARS-CoV-2體液免疫的最新研究成果。

基本信息

期刊：Cell Discovery

影響因子：38.079

發(fā)表年月：2022-10-22

材料：外周血，取自異源增強組BBIBP-CorV/ZF2001和同源增強組BBIBP-CorV/BBIBP-CorV接種前（D0）、接種后第3天（D3）、第14天（D14）、第90天（D90）、第180天（D180）的血液樣本。

方法：10xGenomics單細胞5端測序、中和抗體檢測、假病毒中和試驗

研究結果

全球有超過5億例COVID-19病例，向世界衛(wèi)生組織（WTO）報告的死亡病例有600萬例，流感的控制已成為全球的主要任務。疫苗接種是控制COVID-19流行的基礎手段。在全球范圍內，已經有數十億劑新冠疫苗被接種。但是接種第二針疫苗5-7個月后，疫苗對抵抗COVID-19的有效性會逐漸下降。研究發(fā)現，接種第三針同源/異源疫苗可對COVID-19進行有效防控。從當前的評估結果來看，異源加強疫苗比同源加強疫苗表現出更為顯著的有效性。

接種疫苗后，免疫系統(tǒng)維持一種記憶能力，能夠抵御病毒的侵染和病情的惡化。適應性免疫系統(tǒng)的記憶細胞和體內存在的抗體能夠識別入侵抗原，并在再次識別時快速產生免疫反應，保證了免疫記憶的持久性。然而，近期研究發(fā)現在初級疫苗系列接種后，抗體滴度下降，因此提倡加強疫苗。當前，在接種加強疫苗之后，抗體對先前和目前流行的變種的持久性、強化激活的B細胞免疫的確切細胞過程以及記憶B細胞可以持續(xù)存在多長時間都是未知的。

眾多5’端單細胞測序和V(D)J測序能夠提供單細胞水平的細胞異質性和免疫系統(tǒng)多樣性的圖譜。在此之前，這種方法已被用于BNT162b2疫苗誘導的抗原特異性CD8 T細胞應答?？傊?，scRNA-seq和scV(D)J-seq有助于了解B和T細胞的克隆性、疫苗誘導的細胞表型和轉錄特征，對COVID-19的干預有很大的幫助。在此，作者以兩劑滅活疫苗為源頭，研究了接種同源/異源加強疫苗后適應性體液免疫反應的激活和記憶過程。利用單細胞免疫譜圖，揭示了促進效應的細胞基礎，強調了與抗體產生相關的關鍵代謝途徑，為更高效、更持久的新一代SARS-CoV-2疫苗的開發(fā)提供了可能。

研究結果

Result1 由異源或同源增強劑量誘導的中和抗體存在的持久性研究

作者進行了中和抗體存在的持久性分析，證明了同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或異源BBIBP-CorV/ZF2001加強疫苗均可誘導抗RBD抗體的長期產生，且異源加強疫苗表現出更高的優(yōu)勢。作者采集D0、D14和D28患者的血液樣本，進行假病毒中和試驗（pVNT）。在第14天，接種同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或異源BBIBP-CorV/ZF2001加強疫苗后的中和效度顯著升高。兩種加強疫苗都誘導了抗RBD抗體的長期產生，顯示出與中和效度水平相似的軌跡。值得注意的是，異源組的pVNT值及抗體水平均是明顯高于同源組的。隨后，作者同其他已發(fā)表數據集比較了接種后6個月抗體下降水平，結果發(fā)現，在6個月時，接種異源BBIBP-CorV/ ZF2001疫苗后的受試者樣本中保留的中和抗體活性最高，因此，異源加強疫苗在誘導可持續(xù)的體液免疫方面表現出一定的優(yōu)勢。

Result2 外周血單細胞圖譜分析

作者使用scRNA-seq和scV（D）J-seq分析，揭示了同源和異源加強針誘導的早期和長期體液免疫的潛在機制。由于受試者在每次接種增強量后表現出很大的差異，作者選擇了那些具有極高或極低的抗體滴度來研究抗體反應的細胞基礎。在同源組（InaV）中，作者選擇了中和抗體滴度為前1/4（InaV H組）的兩個受試者；以及第3天（D3天）和第14天（D14天）（InaV L組）的中和抗體滴度為后1/4另外兩名受試者。在異源組（PrSV）中，作者選擇了中和抗體滴度為前1/4（PrSV H組）的四個受試者；以及第3天（D3天）和第14天（D14天）（PrSV L組）的中和抗體滴度為后1/4另外四名受試者。作者取未接種加強針（D0）、接種加強針后第3天、第14天、第90天、第180天的外周血單核細胞進行單細胞測序，共獲得了454,202個單細胞轉錄組，中位基因數和UMI數分別為1465和3845，獲得12種細胞類型。此外，還確定了六種主要的細胞類型：B細胞、T細胞、樹突狀細胞、單核細胞、自然殺傷細胞（NK）細胞和造血干細胞13。除了轉錄組分析外，作者還使用scBCR-seq來研究B細胞免疫激活階段的克隆擴增和記憶階段的持久性。

Result3 異源加強針比同源加強針誘導激活漿細胞的效應更強

作者通過細胞類型鑒定、基因富集分析、差異基因分析，證實了異源加強針比同源加強針誘導激活漿細胞的效應更強。作者鑒定出了3種主要的B細胞亞型：初始B細胞、記憶B細胞和漿細胞。漿細胞作為抗體分泌的主要來源，在接種加強針后表現出快速的克隆擴增，且異源加強組的漿母細胞克隆擴增比同源加強組出現得更早。同源組中擴增克隆的主要BCR同種型為IGHA2和IGHG2，異源組中克隆擴增的主要BCR同種型為IGHA1和IGHG1，揭示了不同加強針誘導的體液免疫的定性差異。與克隆擴增相一致的是，在異源加強組中，漿細胞發(fā)生增殖的時間也較早。根據基因本體論（GO）富集分析，異源加強組的漿細胞中與蛋白質翻譯、折疊和糖基化相關的基因的表達量較高，線粒體中的氧化磷酸化也更為明顯。差異表達基因分析結果顯示，漿細胞在PrSV組對參與能量代謝途徑的基因高表達，表明接種加強針后，PrSV組漿細胞生產和分泌抗體更活躍。這些結果是證實在異源組中有較高的抗體產生的現象的原因之一。

Result4 B細胞克隆的早期擴增和持久性是抗體持續(xù)存在的基礎

作者通過研究不同時間點B細胞亞型間BCR克隆的重疊情況、記憶B細胞的持久性、BCR克隆類型的差異，闡明了B細胞克隆的早期擴增和持久性是抗體持續(xù)存在的基礎。作者在漿細胞中檢測到的134個與疫苗相關的擴增克隆，其中17個與記憶B細胞的BCR重疊，表明sars-cov-2特異性記憶B細胞的重現。與新生克隆相比，被重現的克隆表現出更高的體細胞高突變頻率（SHM）和同型轉換，這表明，由被重現的克隆體產生的抗體可能具有更高的活性。作者在第3天和第14天檢測到的1293個擴增記憶BCR克隆中，有380個能夠在D90/ D180檢測到，這表明B細胞具有良好的記憶持久性，并驗證出他們來源的一致性。此外，作者還分析了InaV組和PrSV組之間BCR克隆類型的差異，在InaV組中發(fā)現10/17個記憶克隆，9/11個新生克隆和159/380個持久性克隆，在PrSV組中發(fā)現15/17個記憶克隆，10/11個新生克隆和233/380個持久性克隆。通過以上結果，可以推測異源和同源加強針都能誘導抗原相關的B細胞激活和分化，并且SARS-CoV-2抗原特異性BCR克隆的存在至少持續(xù)180天。

Result5 高抗體滴度與抗原呈遞和濾泡輔助T細胞活化的活躍過程有關

作者將同源和異源增強受體重新分組為高抗體滴度和低抗體滴度組，分析了調節(jié)抗體反應的關鍵免疫途徑。作者對抗原提呈細胞進行研究，發(fā)現傳統(tǒng)樹突狀細胞（cDC）的抗原提呈活性與抗體滴度呈正相關。相反，漿細胞樣樹突狀細胞（pDCs）或單核細胞的活性與抗體滴度呈負相關。cDC抗原呈遞與抗體滴度的相關性僅在接種前具有顯著性，這表明cDC起著關鍵作用。此外，在接種前，高抗體滴度組cDC中的toll樣受體信號和細胞因子信號（TNF、IFN和IL-1）更活躍，這可能是促進了cDC的激活。GO-BP富集分析表明高抗體滴度組的cDCs的細胞活化、細胞粘附和抗原呈遞更活躍。因此，基底cDC的激活和功能可能是觸發(fā)增強劑誘導的抗體反應的關鍵。作者還發(fā)現在cDCs和B細胞之間，T細胞起著至關重要的橋接作用。在接受cdc的抗原刺激后，部分T細胞分化為濾泡輔助T（Tfh）細胞，這些細胞幫助B細胞分化為漿細胞和記憶細胞。在第14天時，高抗體滴度組中Tfh細胞的比例明顯高于低抗體滴度組。GO-BP富集分析進一步顯示，D3/D14高抗體滴度組Tfh細胞中基因的上調與病毒應答相關。細胞通訊分析表明，在D3/D14和D90/D180的高抗體滴度組中，cDCs、Tfh細胞和B細胞之間的聯系更強，這表明SARS-CoV-2免疫的生物學過程在高抗體滴度組中更活躍。

Result6 能量代謝促進抗體的產生

作者通過研究參與體液反應的免疫細胞能量代謝動力學，證實了抗體的生產高度依賴于能量的供應。結果顯示，在所有類型的細胞中，cDC表現出最活躍的能量代謝，同時依賴糖酵解和氧化磷酸化兩種代謝途徑；Tfh細胞也同時依賴糖酵解和氧化磷酸化；記憶B細胞和漿細胞更多地依賴于氧化磷酸化，而不是糖酵解。在四種細胞類型中，谷氨酰胺分解途徑均上調、脂肪酸氧化途徑微小但顯著的上調、糖酵解途徑先上調后下調，谷氨酰胺似乎與抗體水平最具有相關性。磷酸戊糖途徑（PPP）在cDC中高度活躍，而在其他類型的細胞中激活程度較低。在比較高抗體滴度組和低抗體滴度組時，作者發(fā)現高抗體滴度組的cDC的PPP在早期時間點更活躍。漿細胞參與己糖胺生物合成途徑（HBP），記憶B細胞的HBP活性很小，漿細胞的HBP活性也與抗體滴度明顯相關。作者對它們的營養(yǎng)攝取途徑分析發(fā)現，谷氨酰胺是與抗體產生最相關的營養(yǎng)物質。

文章總結

SARS-CoV-2能夠誘導很強的體液免疫反應，然而，它的細胞機制尚未明確。文章中，作者使用同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV疫苗和異源BBIBP-CorV/ZF2001疫苗，對其受體進行6個月的加強劑量的免疫，研究了抗體免疫應答的持久性，并繪制了單細胞免疫圖譜。兩種強化方案都顯著地提高了中和抗體的產生，且能存活6個月。異源加強疫苗誘導了更快、更強的漿母細胞反應，漿母細胞的激活比同源加強疫苗更快。這種應答歸因于記憶B細胞的回憶和B細胞的從頭激活。B細胞克隆在接種加強針后可持續(xù)數月，并且他們的B細胞受體表現出積累突變?？贵w的產生與傳統(tǒng)樹突細胞的抗原呈遞成正相關，后者通過濾泡輔助性T細胞的激活和發(fā)育為B細胞的成熟提供支持。cDC/Tfh/B細胞的正常激活可能是由于能量代謝驅動的，谷氨酰胺水解在體液免疫中可能也發(fā)揮重要的作用。本研究揭示了加強劑誘導的記憶/適應性體液免疫的細胞機制，并提出了在未來迭代中優(yōu)化疫苗有效性和持久性的潛在策略。

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（單細胞測序）

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