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新冠肺炎中的T细胞免疫

2022-04-24


新型冠状病毒(SARS-CoV-2)导致的新冠肺炎(COVID-19)自2019年至今仍然在全球蔓延,其变异株Omicron由于高传播率目前已取代其它毒株成为全球新冠的主要流行毒株。各国已采取大规模疫苗接种,通过其产生的中和抗体和抗病毒T细胞来缓解和对抗新冠肺炎。有研究报道,病毒特异性T细胞在病毒清除(即SARS-CoV-1感染后17年)和在抗体滴度减弱的COVID-19患者中检测到SARS-CoV-2特异性T细胞会持续很长时间。因此需要充分了解新冠肺炎中T细胞免疫过程,对疫苗开发和免疫治疗具有重要意义。


COVID-19患者中的T细胞免疫反应

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T细胞免疫反应是高度特异性的,在引发有效的抗病毒反应方面具有不可或缺的作用。在SARS-CoV-2感染的早期阶段,树突状细胞(DC)和巨噬细胞可以吞噬病毒感染的细胞,通过抗原呈递启动T细胞反应。随后,CD4+T细胞刺激B细胞产生病毒特异性抗体,细胞毒性CD8+T细胞靶向病毒感染的细胞。有研究报道,SARS-CoV-2特异性CD4+和CD8+T细胞在COVID-19症状发作后的前2周内的外周血中很明显。大多数SARS-CoV-2特异性CD4+T细胞表现出中枢记忆表型,主要产生Th1细胞因子,而CD8+T细胞具有更高水平的穿孔素表达的效应表型。

另外有研究报道COVID-19患者T细胞活化的异质性,并提供证据表明CD4+和CD8+T细胞都能够产生有效的免疫反应,并出现受损或过度的T细胞反应。轻度COVID-19患者的T细胞升高,产生强大的抗病毒免疫反应。特别是CD8+T细胞表达更高水平的细胞毒性分子,例如颗粒酶A和FAS配体,它们有利于消除病毒感染的细胞。然而,在严重疾病病例中,CTL(Cytotoxic T cells,细胞毒性T细胞)比例减少,同时幼稚和中枢记忆CD8+T细胞的百分比也均较低。此外,与健康对照组相比,COVID-19患者的终末分化效应CD4+和CD8+T细胞的百分比更高。且重症COVID-19患者的调节性T细胞(Tregs)水平低于轻症患者。总之,T细胞亚群(包括Treg、Th1、幼稚和记忆T细胞)平衡中的这些失调可能导致严重的炎症状况,并可能导致COVID-19复发。

尽管由CD4+和CD8+T细胞介导的早期抗病毒反应最有可能具有保护作用,但SARS-CoV-2有效的先天免疫逃避能力使T细胞难以通过限制I型和III型干扰素反应来产生有效的抗病毒反应。


COVID-19恢复期患者和健康人中的T细胞免疫反应

恢复康复患者的T细胞计数可以为T细胞在抗病毒反应中的作用提供重要参考。有研究报道,超过70%的COVID-19恢复期患者存在SARS-CoV-2特异性T细胞。100% CD4+T细胞和70% CD8+T细胞在康复患者中具有SARS-CoV-2 Spike特异性反应。功能测定证实CD4+T细胞表现为Th1表型并产生大量IFN-γ,和针对S蛋白较低水平的IL-4、IL-13、IL-5或IL-17A。同样,大多数SARS-CoV-2刺突特异性CD8+T细胞产生IFN-γ,绝大多数IFN-γ+CD8+T细胞也共表达颗粒酶B和肿瘤坏死因子α (TNFα)。这些数据表明,康复患者中的大多数CD4+和CD8+T细胞产生了针对S蛋白的大量抗病毒免疫反应,说明功能性T细胞在病毒清除和恢复中的重要性。此外,这些数据也说明利用SARS-CoV-2的S蛋白作为疫苗生产关键候选者的重要性。

T细胞反应在无症状和未接触过的个体中观察到的T细胞反应最低。但是即使没有并发的体液反应,无症状/轻度恢复期的COVID-19患者也可以产生强大而持久的记忆T细胞反应来预防复发性感染。有研究报道,与有症状的个体相比,无症状患者的免疫反应较弱,并且相当一部分有症状的患者在恢复期早期表现出中和抗体量减少。COVID-19恢复期患者在出院后2周内也显示出与针对人ACE2的中和抗体滴度和病毒特异性T细胞计数的强相关性。


细胞因子风暴

细胞因子风暴是指在各种病理条件下检测到的大量促炎细胞因子和趋化因子,是在SARS-CoV-2感染患者中观察到的关键病理特征之一。在重症COVID-19患者中记录到高细胞因子水平。各种免疫细胞类型,包括巨噬细胞、中性粒细胞、DC,以及NK、B和T细胞,可导致COVID-19患者的细胞因子风暴和炎症反应的过度激活状态。

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由先天免疫细胞释放的TNFα、IL-6和IL-1β可能是SARS-CoV-2感染晚期患者发生细胞因子释放综合征和严重全身炎症反应的主要驱动力之一,其中一些可能是导致这些患者淋巴细胞减少或Th1反应不足的潜在机制之一。另据报道,在COVID-19重症病例中,血清TNFα和IL-6水平升高与总T细胞计数呈负相关,表明这些细胞因子可能参与淋巴细胞减少和T细胞丢失。相反,处于恢复期的患者上述细胞因子的血清水平显著降低,并显示T细胞计数恢复。鉴于这些发现,有人提出IL-6阻滞剂,如sarilumab、siltuximab和tocilizumab,以及IL-1β受体阻滞剂用于治疗重症COVID-19患者以解决过度炎症和控制炎症的传播。趋化因子和细胞因子水平升高,例如CCL2/3/5、CXCL8/9/10和IFN-γ、TNFα、IL-1β、IL-1RA、IL-6、IL-7、IL-8、IL-12 、IL-33、粒细胞/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(G-CSF和GM-CSF)、血管内皮生长因子A(VEGFA)和血小板衍生生长因子亚基B(PDGFB),促进其它白细胞向组织的募集,导致组织损伤。

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基于T细胞反应的疫苗研究

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SARS-CoV-2完整基因组的快速可用性可用于开发多种疫苗,使其在刺激幼稚T细胞后产生效应和记忆T细胞,发挥免疫保护。成功的SARS-CoV-2疫苗应该产生对有效免疫反应具有高度特异性的SARS-CoV-2反应性T细胞,而不会产生炎症或疾病开始的不良影响。

SARS-CoV-2的蛋白被确定为最适合疫苗开发的靶标,以触发病毒特异性T细胞反应和体液免疫反应。表达S蛋白的腺病毒病毒载体疫苗,即5型腺病毒(Ad5-nCoV),在健康个体(NCT04313127)中检测其疫苗的安全性和耐受性,观察到2周后成功产生特异性抗病毒T细胞和体液免疫反应。Moderna开发了基于mRNA的疫苗,编码SARS-CoV-2抗原(S蛋白),通过脂质体递送系统给药。因mRNA疫苗可以模拟天然病毒感染,并仅编码抗原蛋白并且不能整合到宿主染色体中。因此,基于mRNA的疫苗更能发挥细胞免疫和体液免疫。


T细胞免疫检测---细胞因子释放检测(CRA)

疫苗中的抗体测试是常规进行的,但因为特异性病原体的T细胞在血液中存在的总T细胞(通常小于1-3%)中只占很小的一部分,需要在从全血中纯化的细胞中进行。而这些检测都需要复杂的设备和高度专业化的人员,这可能不是每个常规实验室都可以使用的。


杜克-新加坡国立大学Antonio Bertoletti教授团队采用了一种快速和简单的替代方法,即基于Ella微流控ELISA技术的全血细胞因子释放测定(Cytokine release assay, CRA)实验:直接将刺激性抗原或肽添加到全血中,导致血浆中细胞因子(通常是IFN-γ)的分泌,然后进行定量。该检测方法通过简单地将Spike肽库添加到全血中,可以轻松快速地检测和相对定量接种疫苗个体中的Spike特异性T细胞反应。此方法检测时间比常规方法缩减了7个小时,总时间缩短了12个小时。



总结

因T细胞免疫反应在疾病的早期阶段表现出保护作用,也可能导致致命症的发生,因此COVID-19的治疗和预防中需要深入地了解疾病过程中的免疫反应。特别是在症状轻微的患者中阻断促炎细胞因子的早期治疗干预可能会产生有害影响,并导致免疫反应不足和病毒清除受损。在危重COVID-19患者中恢复T细胞耗竭和改善过度炎症反应的晚期治疗干预可能具有更好的临床结果。在疫苗开发中,也要充分考虑其是否可以增强抗病毒免疫和特定T细胞反应从而加强疫苗保护的持久性。

参考文献

Robust T Cell Immunity in ConvalescentIndividuals with Asymptomatic or Mild COVID‐19.

Highly functional virus‐specific cellular immune response in asymptomatic SARS-CoV‐2 infection.

T‐cell responses and therapies against SARS‐CoV‐2 infection.

Rapid determination of the wide dynamicrange of SARS‐CoV‐2 Spike T cell responses in whole blood of vaccinated andnaturally infected.

T cell immunity to SARS-CoV-2 followingnatural infection and vaccination.


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