新型冠状病毒T细胞免疫的人群特征
2022-06-18邓莎莎徐志豪金腾川
邓莎莎,徐志豪,胡 婧,金腾川
(中国科学技术大学 生命科学与医学部,合肥 230000)
新冠病毒(SARS-CoV-2)通过呼吸道颗粒在人与人之间传播,感染后表现为从无症状到呼吸衰竭、多器官功能障碍甚至死亡的一系列临床反应[1-3]。尽管新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的病死率低于严重急性呼吸综合征(SARS)和中东呼吸综合征(MERS),但其传染性远高于季节性流感[4-5]。
新冠病毒是一种正义单链RNA冠状病毒,其基因组由14个开放阅读框(ORFs)组成,编码27个蛋白,主要的结构蛋白有刺突蛋白(spike protein,S蛋白)、膜蛋白(membrane protein,M蛋白)、包膜蛋白(envelope protein,E蛋白)、核衣壳蛋白(nucleocapsid,N蛋白)[6]。血管紧张素转换酶2(ACE2)是新冠病毒的主要宿主细胞受体,在人肺上皮中大量表达,通过与新冠病毒上刺突蛋白的受体结合结构域(receptor binding domain,RBD)的相互作用介导病毒进入宿主细胞[7],因此肺是受新冠病毒影响最大的器官[8]。与其他冠状病毒相比,新冠病毒与血管紧张素转换酶2的结合亲和力高10~20倍,这也是导致新冠病毒传播迅速的原因之一[9]。
抗体反应与疫苗研发息息相关,相关研究如特异性抗体和康复患者血浆等方法作为治疗方案正在开发中[10-11]。有研究表明使用针对新冠病毒刺突蛋白的单克隆中和抗体可以保护实验动物免受高剂量病毒的侵害[12]。然而,大约30%的康复期患者体内几乎不存在新冠病毒中和抗体,这表明有其他免疫机制参与了病毒清除[13]。除此之外,与特异性抗体短效性相比,新冠特异性CD8+T细胞相对持久且保持稳定,在感染12个月后仍被检测到[14-16],这也进一步表明T细胞在对抗新冠病毒的免疫记忆中的重要性,并且可能介导长期的抗病毒保护[17-19]。有研究通过冠状病毒特异性CD8+T或CD4+T细胞的过继转移降低了肺中的病毒滴度并提高了小鼠的存活率,发现T细胞即使在没有抗体或先天免疫系统激活的情况下也足以清除病毒[20]。新冠患者T细胞主要分为活化和耗竭两种表型,在新冠患者中大多表现出淋巴细胞减少的症状,其中优先影响T 细胞群[19,21]。淋巴细胞减少和T细胞衰竭可能是新冠患者临床恶化的主要原因之一,而T细胞介导的炎症反应可能是导致重症患者继发性并发症的主要因素[21-23]。
1 不同人群中的新冠病毒特异性T细胞免疫
传统的T细胞在表型和功能上具有多样性,并且在抗病毒持久保护中发挥着关键作用。CD8+T细胞直接攻击和杀死病毒感染细胞,而CD4+T细胞则是启动CD8+T细胞和B细胞的关键细胞(图1)。呼吸道中的CD8+毒性T淋巴细胞(CTL)通过直接杀死受感染的细胞来抑制病毒复制,并分泌包括干扰素γ(IFN-γ)和肿瘤坏死因子(TNF-α)在内的抗病毒细胞因子[24-25]。CD4+T辅助细胞则具有多种调节抗病毒免疫的关键功能,肺中的记忆 CD4+T 细胞通过Th1细胞因子(白细胞介素-2、干扰素γ、肿瘤坏死因子等)依赖性等机制控制早期病毒的复制[26-27],Chen等[28]发现CD4+T细胞的消耗使得宿主对病毒的清除变慢,并导致更严重的肺部炎症。病毒特异性CD4+T和CD8+T 细胞通过多种效应反应来消除被感染的细胞,控制炎症环境,促进体液反应的发生。
在健康的免疫环境中,受感染的上皮细胞降解病毒基因组并将其呈递给T细胞,T细胞进而分化为CD8+ T细胞(CTL)和CD4+ T细胞。CTL通过经典的 TCR-MHC I类分子相互作用检测病毒蛋白,释放细胞毒性颗粒,包括颗粒酶B和穿孔素,并消除受感染的细胞;CD4+ T细胞进一步分化形成Th1和Th2,其中Th1细胞通过促进巨噬细胞活化吞噬被感染的细胞,而Th2细胞则通过激活B细胞形成浆细胞,通过抗体途径介导病毒清除。
1.1 新冠患者T细胞对新冠病毒的反应
新冠患者的病理学免疫特征主要体现在两个方面(图2):(1)以肿瘤坏死因子、白细胞介素-6和白细胞介素-1β等促炎性因子过量分泌为关键病理特征的“细胞因子风暴”,被认为是新冠疾病的主要致病因素[29-30];(2)新冠患者尤其是重症患者中导致免疫失调的T细胞功能紊乱[18,23,31]。当病毒入侵机体时,正常的T细胞介导抗病毒活性杀死被感染的细胞,而病理性T细胞则会过度活化导致组织炎症和损伤,这取决于宿主免疫反应的状态[32]。
在紊乱的免疫环境中,CD4+ T和 CD8+ T细胞无法提供足够的细胞或体液介导的免疫反应来消除病毒感染的细胞。一方面,T细胞可能会耗尽,通过未知机制过度表达耗竭标记,包括PD-1、CTLA-4、TIM-3和TIGIT,诱导大量的炎性分子的产生,包括IL-1β、IL-6、IL-2、IL-10和TNF-α等细胞因子的产生增加,导致细胞因子风暴的产生;另一方面,Th0 细胞趋向 Th17 表型分化,从而抑制Th1介导的免疫反应,在细胞炎性因子风暴的作用下,CTL和巨噬细胞杀伤活性被抑制,无法完成杀伤被感染细胞的功能,从而导致肺炎的进一步发展。
Weiskopf 等[33]研究证明在新冠患者外周血单个核细胞(PBMCs)中特异性CD4+T和CD8+T细胞在症状出现后的前2周内被检测到。该研究进一步表明,大多数新冠病毒特异性CD4+T 细胞表现出中枢记忆表型,主要产生Th1型细胞因子,而 CD8+T细胞具有更多的效应表型,其穿孔素的表达水平较高[33]。与健康对照组相比,在重症COVID-19患者体内检测到的记忆 CD8+T细胞和 CD8+PD-1+CD38+T细胞的存在,其高表达穿孔素和颗粒酶B,这意味着某些细胞因子如PD-1和CD38在COVID-19病例中可以作为T 细胞活化的标志物[34]。这两项研究都报告了COVID-19患者T细胞活化的异质性,并证明了CD4+T和 CD8+T细胞都能够产生有效的免疫反应,并可能出现受损或过度的T细胞反应。
COVID-19患者的总淋巴细胞数量,特别是T细胞数量低于健康对照组[37],有症状的COVID-19肺炎患者较无症状感染者淋巴细胞减少更加明显[31,38-39],而重症患者CD4+T和CD8+T细胞血计数均较中度患者进一步下降[40-41]。此外,与重症患者相比,轻度COVID-19患者的T细胞比例有所增加,具有较高水平的调节性T细胞、CD8+T 细胞,表达更高水平的细胞毒性分子,如颗粒酶 A 和 FAS 配体,这些分子有利于消除被病毒感染的细胞,从而产生更强的抗病毒免疫反应[42-43]。在患者体内,T细胞亚群(调节性T细胞Treg、Th1、Naïve等T细胞)平衡失调,可能导致严重的炎症反应甚至是COVID-19的复发[44-45]。
1.2 康复患者新冠病毒特异性T细胞应答
在COVID-19康复患者的外周血单个核细胞(PBMCs)中,存在特异性CD4+T和CD8+T细胞对新冠病毒的反应[46-48],该反应不仅针对刺突蛋白,还针对膜蛋白、核衣壳蛋白和其他开放阅读框[46]。新冠病毒特异性T细胞反应与新冠病毒刺突蛋白特异性抗体滴度显著相关[14,46,48-49],同时也有研究表明即使没有新冠病毒特异性抗体,也可以引发记忆性T细胞反应[50]。关于病毒特异性T细胞应答的激活验证,通常采用的有3种方法:干扰素-γ的酶联免疫吸附点(ELISpot)、细胞内细胞因子染色(ICS)或激活诱导标记(AIM)。通过细胞内细胞因子染色发现,新冠病毒特异性T细胞主要表现出效应记忆(EM)表型[49]。然而,T细胞的表型在离体刺激过程中会发生变化,从而引起“假阳性的特异性T细胞”结果的产生。该缺点可以通过结合免疫显性表位及其主要组织相容性复合体即MHC限制信息,使用MHC多聚体染色技术来克服,这也是验证T细胞激活最直接且可信的方法。一些研究MHC多聚体染色的数据进一步证实了新冠病毒特异性T细胞的存在[46,51-53]。
在康复患者中,MHC-I多聚体染色显示新冠病毒特异性 CD8+T 细胞分化表现出效应记忆(EM,CCR7-CD45RA-; 约50%)和中枢记忆(CM,CCR7+CD45RA-,约20%)表型[14]。在另一项研究中,新冠病毒特异性MHC-I四聚体阳性的CD8+T 细胞在康复期表现出早期分化的记忆表型(CCR7+CD127+CD45RA-/+TCF1+)[50]。此外,靶向不同病毒蛋白的CD8+T细胞表现出不同程度的多功能性。与刺突蛋白特异性CD8+T 细胞相比,膜蛋白或核衣壳蛋白特异性CD8+T细胞具有更好的多功能性,即在受刺激时产生多种细胞因子的能力更强[14]。靶向不同病毒蛋白的CD4+T细胞在康复期则表现出不同的分化模式。刺突蛋白特异性CD4+T细胞具有滤泡辅助性T细胞(TFH)的特征,而新冠病毒膜蛋白或核衣壳蛋白特异性 CD4+T 细胞具有指示Th1/Th17 细胞的特征[50]。然而,尽管Th2细胞反应在某些肺部疾病中起作用,但来自COVID-19康复者的刺突蛋白、膜蛋白或核衣壳蛋白特异性 T 细胞很少或没有产生Th2细胞因子[46,54]。
1.3 未暴露个体对新冠病毒特异性T细胞应答
随着新冠病毒T细胞反应相关研究的增加,越来越多的研究证明未暴露群体的淋巴细胞对新冠病毒的抗原肽库表现出显著的反应性[33,34,46-47]。Le Bert等[47]对17年前非典康复的患者进行了检查,发现T细胞对新冠病毒具有持久的交叉反应,检测出未暴露个体对核衣壳蛋白、非结构蛋白7和非结构蛋白13的新冠病毒反应性T细胞应答。除此之外,还有一些研究使用预测MHC-I或MHC-II结合的肽,在40%~60%的未暴露的健康个体中发现了新冠病毒反应性T细胞,这表明一般人群中存在交叉反应性T细胞和被动免疫[34,46,55]。值得一提的是,我们先前的研究采用T-Scan技术筛选到了一些在冠状病毒中保守的多肽表位,并在健康未暴露个体中检测到了CD8+T细胞反应,也进一步证实了预存免疫的存在[56]。
总之,大量新冠反应性T细胞反应存在于许多未接触的人群中已被证实,这可能与交叉反应性T细胞或大量反应性前体细胞的存在相关[46,57-59]。这些人群的新冠特异性T细胞可能来源于暴露于普通感冒冠状病毒(CCCs),如HCoV-OC43、HCoV-HKU1等在人类中广泛传播、引起轻度呼吸道疾病的冠状病毒,具有高水平的预存记忆T细胞的人,在暴露于新冠病毒时能够产生更快、更强的免疫反应。然而,新冠感染的异常和过度免疫反应部分也可能依赖于T细胞免疫记忆,这在成人中较儿童更明显,具体表现为新冠病死率在老年人中高于年轻人,而在儿童中几乎不存在。
1.4 疫苗接种者新冠病毒特异性T细胞应答
针对新冠病毒的循环抗体是短暂且低效的,因此,疫苗诱导的记忆淋巴细胞的快速扩增对增强免疫力和减少 COVID-19 疾病的发生和传播显得尤为重要[60-62]。研究表明疫苗接种不仅可以成功引发中和抗体,还可以成功引发新冠病毒特异性 CD4+T和 CD8+T 细胞反应[46,63-65]。Gallagher等[66]发现接种疫苗的个体对野生型刺突蛋白和核衣壳蛋白具有强烈的T细胞反应,甚至比恢复期的患者更明显。
2 突变株引起的免疫逃逸
新冠病毒虽然是一种含有3′-5′外切核糖核酸酶(ExoN)校正活性的RNA病毒。迄今为止,已经确定了主要的5大类新冠病毒变体(https:∥www.gisaid.org/),被命名为值得关注的变体(VOCs),分别是阿尔法变种(B.1.1.7)、贝塔变种(B.1.351)、伽马变种(P.1)、德尔塔变种(B.1.617.2)以及奥密克戎变种(B.1.1.529)。除了感染能力的提高,新冠变种也增强了免疫逃逸能力,有研究表明更具传播性的变异可能对当前可用的疫苗反应较弱[67-69]。有报道病例第二次被贝塔变种感染,进一步证明了这种VOC可以逃避机体的免疫屏障[70]。以德尔塔变种为例,与野生型病毒相比,新冠病毒康复者血清中和抗体能力、疫苗的防护效果和治疗性单克隆抗体中和能力均有显著下降[71]。因此,这些变异对预防感染和控制流行病提出了严峻挑战[57,72]。
(a)锚定和进入宿主细胞,突变株S蛋白与ACE2受体的亲和力增加有助于病毒的入侵;(b)感染或疫苗诱导的特异性抗体介导的体液免疫,突变株S蛋白与抗体的亲和力下降,削弱抗体的保护作用;(c)T细胞介导的细胞免疫,突变株产生的多肽表位与效应T细胞的亲和力下降,产生细胞免疫逃逸。
除了体液免疫之外,T细胞介导的细胞免疫应答的逃逸也可能促进了新冠病毒优势变种的不断传播(图4)。Gallagher等[66]发现,与野生型相比,接种疫苗的健康人对刺突蛋白变异株(B.1.1.7、B.1.351 和 B.1.1.248)的 T 细胞反应强度有所减弱。Motozono等[73]的研究也表明,新冠病毒刺突蛋白受体结合结构域(RBD)中出现的L452R和Y453F突变逃避了HLA-A 24限制的细胞免疫,其中L452R能增加刺突蛋白的稳定性、病毒感染性和病毒融合原性,从而促进病毒复制。Zhang等[56]进一步对COVID-19康复期样本中的新冠多肽表位进行了系统分析,也发现新冠病毒突变表位降低了细胞免疫应答,同时通过解析相关表位与对应HLA-A蛋白的晶体结构,证明了新冠病毒刺突蛋白突变位点的K417和L452在介导HLA-A识别中起关键作用。在进一步的T细胞应答中,TCR主要分为两类,一类是由特定抗原表位引起的在个体之间是不同的TCR序列(个体特异性T细胞应答);另一类是经常在多个不相关个体中观察到的TCR组合(公共T细胞应答)。公共TCR在对多种人类病毒的免疫应答中都有描述,包括巨细胞病毒(CMV)、艾滋病毒(HIV)、EBV[75],以及最近的SARS-CoV-2[53]。有研究确定了COVID-19恢复期患者与HLA-A*02:01和两条来自SARS-CoV-2刺突蛋白表位(YLQ和RLQ)复合物的TCR结构,阐明TCR识别免疫显性可变表位(YLQ)和保守但不常见的靶向表位(RLQ)的机制[76](图4)。尽管突变会导致T细胞免疫逃逸,但也有研究表明T细胞在受感染或接种疫苗的个体中可以引发针对VOCs的强大的交叉反应性免疫应答,提示了疫苗的有效性和免疫持久性[77]。总之,有关突变时如何影响下游TCR信号转导,及其对T细胞活化或抑制的影响,还需要更深入的研究。
(a)pHLA-A复合物结构示意图,由多态性HLA-A α重链、β2m恒定轻链和抗原多肽组成;(b)HLA-A与多肽结合槽细节示意图,抗原表位YLQPRTFLL结合在HLA-A α重链结合槽中;(c)pHLA-A-TCR复合物结构示意图。
3 总结
随着研究不断深入,感染状态、宿主免疫和疾病轨迹之间的关系将更加清晰。尽管T细胞对新冠病毒的耐受性仍有待确定,但目前的数据和人类感染其他冠状病毒的过去经验证明了其持久性的潜力、控制病毒复制和宿主疾病的能力,以及疫苗诱导保护的重要性。在新冠病毒感染中,病毒特异性CD4+T和CD8+T细胞在保护性免疫中的作用不如中和抗体的作用那么明确。此外,新冠病毒特异性CD4+T和CD8+T 细胞的寿命,以及普通冠状病毒诱发的预存新冠病毒反应性T细胞功能仍有待进一步研究。