單細胞免疫分析同源或異源加強疫苗接種增強SARS-CoV-2體液免疫的細胞基礎

Hello！大家好呀，今天小編給大家帶來復旦大學張文宏、姜寧等人本月發表在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6個月的加強劑量免疫后抗體反應和單細胞免疫圖譜的持久性。兩種強化方案都顯著增加了中和抗體的產生，抗體可以持續至少六個月。該研究揭示了加強免疫誘導記憶/適應性體液免疫的細胞機制，并提出了在未來迭代中優化疫苗效力和持久性的潛在策略。

背景

2019年底到現在，新冠肺炎已感染5億多例病例，世界衛生組織已報告了600多萬死亡病例。疫苗接種控制疫情的基石。全球范圍內，已經接種了近數十億劑各種新冠肺炎疫苗。臨床評估疫苗誘導的免疫反應通常涉及免疫原性、安全性和保護效果。疫情期間開發的不同疫苗中，滅活疫苗目前在中國和世界其他地區廣泛使用。

接種疫苗后，免疫系統保持記憶能力，防止后續感染，防止疾病發展到嚴重階段。適應性免疫系統的記憶細胞和體內巡邏的抗體可以識別入侵者，并在再次遇到時產生快速反應。這些成分在體內持續的時間決定了免疫記憶的持久性。在大多數研究中，這些都是通過抗體的滴度和光譜以及抗原特異性B細胞和T細胞的大小來量化的。抗體滴度在初級疫苗系列接種后下降，因此主張增加劑量。然而，在加強劑量后，針對以前和當前循環中的變種的抗體的持久性，增強激活的B細胞免疫的確切細胞過程，以及記憶B細胞可以持續多久，都是不清楚的。該研究對同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或異源BBIBP-CorV/ZF2001的受體進行了超過6個月以上的增強劑量免疫后抗體應答的持久性和單細胞免疫譜進行了研究。兩種強化方案都顯著提高了中和抗體的產生，抗體可以持續至少6個月。

Results

• Durable response of neutralizing antibodies induced by a heterologous or homologous booster dose

作者對所有登記的接受者進行了假病毒中和試驗（PVNT）實驗，并評估了同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或異源BBIBP-CorV/ZF2001加強疫苗接種后的中和滴度(圖1a)。在6個月的隨訪期內，異源組的pVNT值顯著高于同源組。

BBIBPCorV/ZF2001組在加強劑量后180天的Omicron pVNT水平是基線的6.35倍，而BBIBP-corv/BBIBP-corv組的水平是基線的3.56倍。在加強接種后180天內，原型菌株的pVNT滴度趨勢與針對Omicron變體的趨勢相似(圖1b)。兩種增強劑都能誘導長期產生抗RBD抗體(圖1c)。此外，異源組的抗體水平高于同源組。

接下來，將接種后6個月的抗體消退與其他已發表的數據集進行了比較。發現，異源加強免疫策略在誘導可持續體液免疫方面顯示出一定的優勢。

• Global profiling of peripheral blood mononuclear cells

接下來，使用scRNA-seq和SCV(D)J-seq來研究同種和異源加強免疫后免疫細胞譜和B細胞克隆的動態變化。

在scRNA-seq組的D0、D3、D14、D90和D180啟動子上進行病毒中和試驗（sVNT ）。發現，B細胞免疫在接種后兩周內迅速激活，此后逐漸下降。6個月中，異源強化組的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。在同源強化組中也觀察到了同樣的現象。在異源組(PrSV)中，分為四分位數最高的受試者(PrSV H組)和四分位數最低的受試者(PrSV L組)。接種6個月后，PrSV H組的抗體水平是iNAV H組的5.66倍(圖2b)。

在加強免疫前(D0)和接種后D3、D14、D90和D180采集外周血單核細胞(PBMC)(圖2a)。經定性篩選，共獲得454,202個單細胞轉錄本。通過signature基因識別了六種主要的已知細胞類型，包括B細胞、T細胞、樹突狀細胞(DC)、單核細胞、自然殺傷(NK)細胞和造血干細胞(圖2 c,d)。除了轉錄組分析外，我們還利用單細胞B細胞受體(BCR)測序(scBCR-seq)來研究B細胞免疫激活期的克隆性擴張和記憶期的持久性。

• Heterologous booster induced more robust activation of plasma cells than homologous booster

在B細胞群體中，有三種主要的亞型：na?ve B細胞、記憶B細胞和漿細胞(圖3a，b)。漿細胞作為抗體分泌的主要來源，在加強免疫后表現出快速的克隆性擴張(圖3c)。異源組比同源組表現出更早的擴張動力學。擴增克隆的主要BCR亞型在同源組中為IGHA2和IGHG2，在異源組中為IGHA1和IGHG1(圖3d)，表明不同啟動子誘導的體液免疫存在質的差異。與克隆性擴增一致，異源組漿細胞增殖較早(圖3e)。GO富集分析顯示，異源組漿細胞中與蛋白質翻譯、折疊和糖基化相關的基因表達水平較高。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生較高抗體的原因。

• Early expansion and persistence of B cell clones underlies sustainable antibody titers

為了研究加強免疫后B細胞的來源，作者計算了D3/D14的漿細胞擴增克隆之間共享的BCR克隆和D0/D3/D14檢測到的總記憶B細胞克隆(圖4 a)。在漿細胞中檢測到的134個擴增克隆是疫苗相關克隆，其中17個克隆與部分記憶B細胞共享BCR，表明SARS-CoV-2特異性記憶B細胞被召回。另有11個擴增的漿細胞克隆在D0/D3與na?ve B細胞共享BCR，這表明加強免疫后B細胞的激活和分化。與從頭克隆相比，召回的克隆顯示出更高的體細胞超突變(SHM)(圖4 b)和同型轉換(圖4 c)的頻率，這表明召回的克隆產生的抗體可能具有更好的活性和廣度。

在D3/D14檢測到的1293個擴展記憶BCR克隆中，有380個是在D90/D180檢測到的，顯示出良好的B細胞記憶持久性(圖4d)。與在D90/D180檢測到的全部BCR克隆相比，這些共享克隆中約60%表達Ig A或Ig G(圖4e)，這與它們的記憶細胞來源一致。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成熟。

• High antibody titers are associated with active processes of antigen presentation and follicular helper T cell activation

不同的受者對同種或異源加強免疫表現出高度不同的抗體效果。將同源和異源加強免疫受者重新分組為高抗體滴度組和低抗體滴度組，分析了調節抗體應答的關鍵免疫學途徑，即抗原遞呈和濾泡輔助T細胞激活。

cDCs的抗原提呈活性與抗體效果呈正相關(圖5a)。而pDC或單核細胞活性與抗體滴度呈負相關。而cDC抗原提呈與抗體效果的相關性僅在D0時明顯(圖5b)，這表明cDC功能起著關鍵作用。此外，在D0時，高抗體滴度組的cDC中Toll樣受體信號和細胞因子信號(腫瘤壞死因子、干擾素和IL-1)更活躍，這可能導致cDC激活(圖5c)。GO-BP富集分析表明高抗體滴度組的cDC具有更好的細胞活化、細胞黏附和抗原提呈(圖5d)。因此，cDC的激活和功能可能是觸發加強子誘導的抗體反應的關鍵。

在cDC和B細胞之間，T細胞起著至關重要的橋梁作用。在接受cDC的抗原刺激后，部分T細胞分化為濾泡輔助T細胞(Tfh)，幫助B細胞分化為漿細胞和記憶細胞。在D14，高抗體滴度組的Tfh細胞比例顯著高于低抗體滴度組(圖6a)。GO-BP富集分析進一步表明，在D3/D14高抗體滴度組Tfh細胞中上調的基因與病毒應答有關(圖6b)。細胞通訊分析表明，在D3/D14和D90/D180(圖6c)，高抗體滴度組CDC、Tfh細胞和B細胞之間的關聯更強，這表明在高抗體滴度組中，SARS-CoV-2免疫背后的生物學過程更活躍，包括抗原遞呈和有助于B細胞成熟的Tfh細胞的激活。

• Energy metabolism fuels antibody production

接著作者研究了參與體液反應的免疫細胞的能量代謝動力學。在所有類型的細胞中，CDCs表現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細胞也參與糖酵解和OXPHOS，但程度較低。然而，記憶B細胞和漿細胞更多地依賴于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胞類型中都上調。同時，在四種細胞類型中，高抗體滴度組的脂肪酸氧化途徑表現出輕微但顯著的上調。糖酵解途徑表現出相對復雜的模式。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時相似，在D3/D14時上調，在D90/D180時下調（圖7a）。

磷酸戊糖途徑(PPP)是一種與糖酵解平行的代謝途徑，促進合成代謝而不是分解代謝。PPP在cDC中高度活躍，而在其他類型的細胞中表現出極低的激活。當比較高抗體滴度組和低抗體滴度組時，高抗體滴度組cDC的PPP在早期時間點更活躍。己糖胺生物合成途徑(HBP)是糖酵解的一個分支，它產UDP-GlcNAc用于蛋白質糖基化。漿細胞參與活性HBP是因為糖基化對抗體活性至關重要。相比之下，記憶B細胞表現出極低的HBP活性。漿細胞的HBP活性與抗體效價也有明顯的相關性。

總結

在這項研究中，作者發現同源或異源第三劑加強疫苗對健康成年人具有高度的免疫原性，并且免疫反應至少持續6個月。異源增強劑誘導漿細胞更快、更強勁的激活，導致更高的抗體產生。同種或異源加強免疫均可誘導B細胞的記憶回憶和從頭激活，而誘導的抗體亞型在兩種加強免疫中有顯著差異。cDCs和Tfh細胞的激活與抗體效價呈正相關。活躍的能量代謝，特別是谷氨酰胺分解對抗體的產生也是至關重要的，作者發現了了一種潛在的營養補充策略，可以提高疫苗的效力。