我国学者系统总结和展望新冠病毒感染的体液和抗体反应及通用型疫苗研发

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我国学者系统总结和展望新冠病毒感染的体液和抗体反应及通用型疫苗研发

清华大学医学院祁海教授和张林琦教授受邀在 Nature Immunology 期刊发表了题为新型冠状病毒感染的体液免疫应答和抗体的综述论文。

该综述全面系统总结了新型冠状病毒感染者的体液免疫过程，以及病毒感染或疫苗诱导机体产生的中和抗体的关键特征，并展望了诱导新冠变异株广谱中和抗体的疫苗设计策略。

大量研究表明，与其它呼吸道冠状病毒引起的体液免疫应答相似，机体感染 SARS-CoV-2 后1周左右，在血清中开始出现特异性识别 SARS-CoV-2 的 IgM、IgA 和 IgG 等多种类型的抗体反应，并展示一定程度的中和能力；3～4周后，抗 SARS-CoV-2 的中和抗体量达到峰值；之后 IgG 抗体水平在峰值维持几个月，而 IgM 和 IgA 水平逐渐下降。如图1所示，抗原特异性B细胞被激活后，一部分在滤泡区外（extrafollicular, EF）分化成为短寿命浆细胞（short-lived plasma cell），快速分泌具一定中和能力的抗体，抑制 SARS-CoV-2 在体内扩散；另一部分则回到滤泡区分化成为生发中心（germinal center）B细胞，经过筛选和克隆增殖后最终分化成为长寿命浆细胞（long-lived plasma cells）。这些长寿命浆细胞多数定居在骨髓中，能够分泌具有较强中和能力的抗体，并维持适当的水平，协助机体有效控制 SARS-CoV-2 的复制。虽然这两个过程均会产生记忆B细胞（memory B cell），但生发中心反应来源的记忆B细胞存活时间更长，并且表达的B细胞受体（B cell receptor，BCR）结合和中和病毒能力更强，与长寿命浆细胞一起建立体液免疫记忆，有效抵御 SARS-CoV-2 的再次感染。除血清外，IgA 型中和抗体还会分布在包括鼻黏膜等病毒侵入途经的呼吸道黏膜组织中，对抵御再次感染或减轻感染症状有重要意义。此外，尽管 SARS-CoV-2 和其它人源冠状病毒序列相似度不高，但感染产生的抗体仍会发生相互的交叉反应（cross-reactivity），一定程度上识别并中和 SARS-CoV-2，抵御感染。

随后，文章进一步总结了识别 SARS-CoV-2 表面刺突蛋白（spike glycoprotein，S蛋白）抗体的中和能力和广谱能力。包被在病毒表面的 S 蛋白是中和抗体的主要识别位点。如图2，S 蛋白有 S1 和 S2 两个功能区，S1 由 N 端结构域（N-amino-terminal domain，NTD）和受体结合域（Receptor-Binding Domain，RBD）等四种结构域构成，与宿主细胞受体 ACE2 结合；而 S2 则介导病毒和细胞膜的融合，完成病毒遗传物质向胞内释放。中和抗体主要通过竞争性结合 RBD 来抑制 SARS-CoV-2 的感染和扩散。目前流行的 SARS-CoV-2 变异株的大部分突变都集中在包含 RBD 和 NTD 的 S1 功能区，增强了新冠病毒对抗体药物和疫苗的逃逸能力。

能够结合 RBD 的中和抗体主要分为7类（RBD-1～RBD-7），主要识别顶部面（top face）、外表面（outer face）和内表面（inner face）。其中识别顶部面的主要是RBD-1～RBD-3。这三类中和抗体的结合位点高度重合，但各自有特定的结合方式，保证了高特异性和强结合力。但正是由于高强度识别和结合，导致多种变异株的出现，从而逃逸这几类抗体的中和作用。RBD-4 和 RBD-5 两类主要识别 RBD 的外表面，也是目前最广谱、结合能力最强的中和抗体。但它们也存在和 RBD-1～3 一样的问题，即变异发生在 S 蛋白与抗体结合的表位区域时，直接导致活性降低和病毒逃避。RBD-6 和 RBD-7 两类主要是结合 RBD 内表面的抗体，通常情况下在 RBD 是向上构象时才能结合其内部的表位，中和能力相对较弱。而奥密克戎（Omicron）变异株 BA.1 和 BA.2 在这两类抗体结合的位点都发生了突变，导致大部分 RBD-6 和 RBD-7 丢失中和能力。

除了识别 RBD 的中和抗体之外，结合 NTD 的抗体也具有一定的中和能力。根据结合的位置不同，NTD 抗体大概分为三类，即 NTD-1、NTD-2 和 NTD-3，其中 NTD-1 类抗体结合在 NTD 的顶部（top side），NTD-2 类抗体结合在 NTD 的前侧（front side），NTD-3 类抗体则结合在靠近 RBD 的左侧（left side）。与 RBD 抗体比较， NTD 抗体中和能力较弱，大多数识别病毒蛋白三维空间构象，在突变株的 NTD 区域，有大量的氨基酸缺失和插入，以及众多的点突变，其中大部分都可以逃逸 NTD 抗体的识别和中和。

综合目前对于 SARS-CoV-2 抗体反应的认识，祁海教授和张林琦教授指出，目前大多数 SARS-CoV-2 的疫苗设计开发仅是针对原始毒株，但病毒不断的变异，导致目前疫苗策略对新发变异株的保护能力显著降低，亟需能够诱导广谱中和抗体的通用型疫苗的研发和上市。

一方面，补打加强针能够在一定程度上增强和维持机体的抗突变株的广谱中和能力，尤其是序贯异源疫苗接种，能够显著地提高机体内中和抗体的中和能力和广谱能力。

另一方面，来自不同变异株的多种抗原集合研究，开发通用型 SARS-CoV-2 疫苗更能够有助于广谱中和抗体的产生和维持，为构建更强、更广谱和更持久的免疫屏障提供新的策略和思路。

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新型便携式诊断仪可同时检测新冠病毒和抗体

根据Medical Xpress报道，来自哈佛大学的科研人员研发出一种明信片大小的新型便携式诊断设备，这款设备可以同时准确检测出感染者唾液样本中的新冠病毒和抗体。

研究人员表示，这种新冠诊断设备使得我们可以经济且高效地追踪监测人群的病毒感染和体内免疫情况，其准确性水平和实验室测试准确性水平相当。这种检测方法可以显著改善全球应对未来流行病的能力，并为患者个人应接受哪些治疗提供一定方案。

在这项研究中，研究人员开发出一种芯片设备，其可以通过多路电化学输出在2小时内同时检测到人体唾液中的新冠病毒和抗体。

研究人员选择唾液作为样本，因为从唾液中可以同时检测到病毒颗粒和抗体。研究团队设计了一个由多容器、通道和加热元件组成的微流体系统，被检测的样本物质可以在设备内被自动混合和转移，而无需更多手动操作。以病毒库为例，在第一个腔室中，人的唾液与一种酶结合，该酶能打开任何病毒的外壳以暴露其RNA。接着，将样本泵入反应室，在反应室中加热并与放大病毒RNA的环介导等温扩增试剂混合。30分钟后，再向其中加入一种含有SHERLOCK试剂的混合物，然后设备会自动将它们一起泵送到eRapid电极所在的位置进行检测。

在混合物中没有新冠病毒遗传物质的情况下，附着有生物素的单链（ssDNA）分子与电极表面上的肽核酸（PNA）分子结合，生物素与混合物中的聚-HRP-链酶亲和素结合，导致四甲基联苯胺从液体溶液中以固体形式沉淀。当固体落在电极上时会改变电导率，这种变化被检测为流过电极的电流量的差异，表明样本不含病毒。

如果唾液样本中存在新冠病毒的遗传物质，SHERLOCK混合物中的CRISPR酶会切割它以及ssDNA，这种切割作用将生物素分子与ssDNA分离，因此当ssDNA与PNA结合时，不会触发四甲基联苯胺从液体溶液中以固体形式沉淀的一系列反应。因此，电极的电导率不会发生变化，表明测试结果为阳性。

在抗体库中，研究人员在电极上植入不同的新冠相关抗原，患者可以针对这些抗原产生抗体：Spike蛋白的S1亚基（S1）、S1亚基内的核糖体结合域（S1-RBD）以及存在于大多数冠状病毒（N）中的N蛋白。如果患者的唾液样本含有一种或多种这些抗体，它们就会与电极上的伴侣抗原结合，附着在生物素上的二抗将与目标抗体结合，触发固体沉淀反应并导致电极电导率变化。

对抗体特异性传感器进行测试，研究人员发现该系统能以超过95%的准确度区分针对S1、S1-RBD和N的抗体。

研究人员表示：“区分不同类型的抗体，对于确定患者的免疫力是来自于疫苗还是感染，以及追踪患者免疫水平的变化很重要”。

最后，研究团队使用新冠感染者的唾液对诊断设备进行了测试，将感染者唾液一部分添加到抗体库中，一部分添加到病毒库中。2小时后，对设备的电极读数进行测量。研究人员发现，这一检测平台的准确度高达100%，可以有效检测人体唾液中是否含有新冠病毒和抗体。此外，检测设备灵敏度也很高，能够检测到低至每微升0.8个拷贝的病毒RNA。

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Nature：增加酮体产生有望恢复新冠肺炎患者体内的T细胞功能

在重症COVID-19患者中，代谢产生的某些富含能量的化合物---称为酮体（ketone body）---数量不足。然而，这些能量载体（即酮体）是免疫系统中两种重要的细胞类型所需要的，以便有效对抗导致COVID-19的冠状病毒：SARS-CoV-2。

这一发现可以解释为什么有些人的病情比其他人严重得多。一项新的研究至少指向了这个方向。这些结果也为新的治疗方法带来了希望。

患病期间，食欲经常下降。这也对代谢产生了影响。由于碳水化合物的供应不再那么充足，它转而燃烧脂肪。这产生了称为酮体的富含能量的分子，这可能有助于身体更好地应对病毒。

至少这项新研究的结果表明了这一点。论文共同通讯作者、德国波恩大学医院临床化学与临床药理学研究所Christoph Wilhelm教授解释说，“我们发现感染流感病毒的患者会产生相当数量的酮体。相比之下，我们在COVID-19患者中几乎没有看到任何增加，至少在那些中度或严重病程的患者中是如此。”

此外，令人吃惊的是，那些感染了SARS-CoV-2的人血液中的炎症信使分子水平较低。γ干扰素的情况尤其如此。γ干扰素是一种由一组特定的免疫细胞---称为辅助性T细胞（T-helper cell）---分泌的细胞因子。这些细胞用它来招募吞噬细胞和免疫系统中的其他防御部队的帮助来对抗病毒。然而，为了有效地产生γ干扰素，辅助性T细胞显然需要有足够的酮体供应。如果缺乏这种供应，它们产生的γ干扰素就会减少。此外，辅助性T细胞会提前死亡。

这些作者还在另一类重要的免疫细胞---杀伤性T细胞（killer T cell）---中看到了类似的效果。论文共同通讯作者、波恩大学医院麻醉学与外科重症监护医学系讲师Christian Bode博士说，“它们也需要酮体才能很好地发挥作用并有效地消除SARS-CoV-2。显然，酮体促进了线粒体的功能，线粒体是为免疫细胞提供燃料的代谢能量工厂。这不仅确保改善能量产生，而且还提供干扰素产生所需的分子。”

Bode解释说，“另一方面，如果没有足够的酮体供应，杀伤性T细胞和辅助性T细胞就会出现衰竭的迹象。在这种衰竭状态下，它们不能再充分地发挥它们的功能。”然而，这些作者能够通过给患病的小鼠摄入生酮饮食（一种含有较低的碳水化合物和蛋白的饮食）或直接给送酮体来恢复这些免疫细胞。然后，这些小鼠在消除SARS-CoV-2方面取得了更好的成绩，而且这种病毒对肺部的损伤也明显减少。

因此，这些作者结果也为新的治疗方案带来了希望。Wilhelm说，“也许有可能通过有针对性地改变饮食来提高身体自身的防御能力。这是否真地有效，现在必须通过进一步的研究来证实。”他们明确建议不要用膳食补充剂或饮食进行自我实验，毕竟这可能弊大于利。

这些新的发现也可能对抵抗其他感染有意义。从中期来看，它们甚至可能有助于制定新的策略来帮助身体对抗肿瘤。

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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