截至1月17日,118个国家提交了奥密克戎病毒基因组序列374314条,奥密克戎变异株已成为全球优势流行株。2021年11月27日,奥密克戎输入中国香港;2021年12月9日,该变异株首次输入中国内地。自2022年1月8日之后,奥密克戎正式在天津、河南、深圳等地发生聚集性感染、跨省传播。

“没有想到病毒能够变化这么大这么快,这一点也是出乎意料。”中国科学院院士、上海市免疫治疗创新研究院院长、上海交通大学医学院教授、清华大学医学院教授董晨在接受澎湃新闻()记者采访时如是表示。

作为一名资深的免疫学专家,董晨重点探讨免疫耐受和免疫应答的分子调控机制, 以理解自身免疫和过敏疾病的发病机理, 并探索新型肿瘤免疫治疗。2021年,国际学术期刊《自然·免疫学综述》(Nature Reviews Immunology)回顾了过去20年免疫学领域的20项标志性进展,董晨的两项成果入选其中。

在这场已蔓延超过2年的COVID-19大流行中,董晨在密切关注新冠病毒突变本身和免疫应答之间的关系,以及新冠康复者和疫苗接种者对变异株免疫保护力的改变。

此次奥密克戎变异株的特殊之处在于,其在刺突蛋白出现了大量的基因突变点。实际上,作为RNA(核糖核酸)病毒中的一种,新冠病毒的易于突变在科学家们的准备之中,“它自己在复制过程中的复制机器就没有像人类基因复制那么准确,这是RNA病毒的一种‘天性’。” 清华大学医学院和万科公共卫生与健康学院教授张林琦此前在接受澎湃新闻()记者采访时表示。

BA.1/Omicron的分子图谱。南非柳叶刀实验室等研究团队《自然》论文

澎湃新闻()此前报道,研究团队在论文中分析,奥密克戎变异株主支BA.1的独特之处在于,其刺突蛋白上有30多个突变。15处发生在刺突蛋白受体结合域(RBD),其中5个(G339D、N440K、S477N、T478K、N501Y)已被单独证明增强了和人血管紧张素转化酶2(hACE2)的结合。7个RBD突变(K417N, G446S, E484A, Q493R, G496S, Q498R和N501Y)预计会对RBD靶向中和抗体(NAbs)的4大类中至少3类的结合产生中度到强烈的影响。

研究病毒突变也是张林琦团队最重要的方向之一。张林琦在最新接受澎湃新闻记者采访时表示,“包括新冠病毒、艾滋病毒等,我们的研究目标就是找到广谱中和抗体。”在过去的2年里,张林琦团队和其他团队合作,获得了上千个抗体,在有“关切变异株”来袭时,他们需要进行密切评估手里的“抗体储备库”是否仍然有效。

根据此前团队和国际上其他实验室发布数据,张林琦等人此前开发的罗米司韦单抗(BRII-198)并不受奥密克戎变异株所影响,保持了对奥密克戎变异株的中和活性。

然而,除中和抗体之外,张林琦也在关注着免疫系统中另一个重要的角色——T细胞。如果说B细胞产生的中和抗体是“巡逻兵”,时刻准备清理病毒,那T细胞则被称为“杀手细胞”,直接负责攻击被病毒或其他病原体感染的细胞。

“奥密克戎出来以后,显然它对抗体的逃逸是比较强的,现在全球获批上市的几个抗体药物效果打了不同程度的折扣。但是已经感染过的人或者接种过疫苗的人,他建立的免疫防御对奥密克戎有多大的保护?这个现在还没有太多的报道,这个我们也想做一点相关的工作。”董晨强调,其中T细胞产生的细胞免疫能力的评估当下也变得更为重要。

张林琦表达了类似的观点,“关于新冠病毒的特异性T细胞应答的情况,其实从最近一段时间,以及在整个的研究过程中来看,确实在康复者和接种疫苗人中都能够展现出比较强的T细胞反应。”

然而,董晨和张林琦均提到,鉴于技术手段受限等客观原因,在整个COVID-19大流行期间,科学界对T细胞免疫的研究不如中和抗体普遍。“很多问题还需要进一步研究,但是无论如何,研究T淋巴细胞在感染过程中和免疫过程中的反应程度,这一点是非常重要的。”张林琦强调。

人类对免疫系统的认知来自于免疫学的发展。200多年前,英国医生爱德华·詹纳(Edward Jenner)从牛痘中制备活疫苗用于防治天花获得成。这是运用免疫干预手段控制烈性传染病的典范,詹纳也被公认为免疫学之父。

发展至今,免疫学的概念已经超越了单纯抗感染的范畴,但这仍然是免疫系统担负的最重要的功能。在应对新冠病毒的过程中,B细胞显然是“明星”。来源于骨髓中的造血干细胞、在骨髓中成熟、在体液免疫中产生抗体,B细胞起到了重要作用。值得一提的是,B细胞最早就是由董晨的博士生导师、2019年拉斯克奖获得者Max Cooper教授发现的。

当遇到抗原时,一部分B细胞会分化成核比较大的浆细胞,浆细胞负责分泌抗体,直接清理病毒;而另一部分B细胞经过抗原激活后成为记忆B细胞,当再次遇到相同抗原时,记忆B细胞能迅速做出反应,大量分化增殖。

“一般来说,抗体水平会下降得比较快,但是实际上还有记忆B细胞,这方面截至目前也没有得到充分的评估。”董晨谈到,和T细胞一样相对被“冷落”的,还有记忆B细胞,“但是记忆B细胞应该存活的时间更长,而且有的可能不一定在外周血里面,存在于组织里面或者在淋巴结、脾脏这种器官里面,就不太容易评估。”

除了B细胞产生的体液免疫,对抗病毒时重要的另一臂是T细胞负责的细胞免疫。T细胞起源于骨髓,但在胸腺中成熟。在胸腺中,T细胞增殖并分化为辅助T细胞、调节T细胞、细胞毒性T细胞或记忆T细胞。然后它们被送到外周组织、血液或淋巴系统中循环。

一旦遇到适当的抗原刺激,辅助T细胞会分泌被称为细胞因子的化学信使,它刺激B细胞分化为浆细胞;调节性T细胞的作用则是控制免疫反应;而细胞毒性T细胞,被各种细胞因子激活,结合并杀死感染细胞。

因此,总体来说,T细胞在免疫系统中扮演着多种角色。它既可以是“杀手细胞”,攻击被病毒或其他病原体感染的细胞;也可以是“助手细胞”的角色,支持B细胞产生抗体。

值得注意的是,与B细胞对抗原的识别不用,T细胞不能识别完整的天然抗原分子,需要抗原提呈细胞先将抗原降解为肽段,并由MHC分子递送到细胞表面才能识别。

香港科技大学、墨尔本大学等团队的研究人员于1月2日在《病毒学》(Viruses)杂志发表了一项研究,为了确定奥密克戎是否能逃脱T细胞的反应,研究人员分析了1500个SARS-CoV-2表位。他们将在奥密克戎中发现的相关肽序列进行了一系列计算机算法处理,这些算法能够很好地预测某些肽是否能与特定的MHC分子结合。他们发现,只有一些肽可能已经失去了与未突变时相同的MHC分子结合的能力。

5种新冠关切变异株中S-特异性SARS-CoV-2 T细胞表位有突变和无突变的百分比。香港科技大学、墨尔本大学等团队《病毒学》论文

香港科技大学电子与计算机工程系的Ahmed Abdul Quadeer博士是这项研究的作者之一,他认为新冠变异体躲避T细胞反应可能相对困难。“这是因为,中和抗体主要识别新冠病毒的刺突蛋白,而T细胞可以识别病毒的多个蛋白质片段。”

董晨提到,现在大家都发现,新冠康复者体内是有T细胞免疫的,“那么T细胞根据功能主要分为两类,一类表达细胞因子叫CD4+ T细胞,还有一类叫CD8+ T细胞。”发挥“杀手”功能的主要是CD8+ T细胞。

“对于新冠来说,除了抗体以外,CD8+ T细胞是很重要的,因为它们负责把感染的细胞消灭掉,而在细胞之外的病毒一般来说才由抗体来负责,把它中和掉,或者把它清除掉。”

他们检测了14名COVID-19康复患者,分析了体液和细胞免疫反应。研究结果提示,COVID-19感染在几乎所有病人都伴随着抗体产生, 抗体尤其是IgG能够在至少出院后2周水平维持较高。

在细胞免疫方面,他们通过分析康复患者的PBMCs (外周血单个核细胞),发现康复者血液中总体T细胞比例与未感染者没有显著差异,但是通过IFN-γ ELISpot(酶联免疫斑点实验)检测到针对不同抗原的特异性T细胞与未感染者有显著差异,其中S-RBD特异性T细胞分布最广,N蛋白特异性T细胞量数量最高。此外,14位康复者的数据显示,中和抗体水平与N蛋白特异性T细胞数量呈显著正相关。

他们认为,这项表明,COVID-19患者体内特异性体液免疫和细胞免疫也许协同工作来有效清除病毒。这样的工作也在全球范围内相继得到类似验证。

董晨团队随后还和北京地坛医院曾辉团队和军事医学科学院秦成峰团队等合作,分析了COVID-19重症患者外周血样品。他们检测了10份COVID-19重症患者的血液样本, 发现70%的患者产生了中和性抗体。然而,相对于健康人,重症患者外周血中的NK和CD8+ T细胞明显减少,CD4+ T细胞中IFNg表达降低。最值得注意的是,重症患者外周血淋巴细胞不能针对SARS-CoV-2蛋白产生IFNg。

这项研究表明,COVID-19重症患者细胞免疫反应有着缺陷,这对于理解COVID-19的发病机制, 以及制备有效疫苗提供了重要的理论基础。“对于重症患者来说,相比于抗体,T细胞免疫是有比较大的缺陷的,患者只能有限地去产生一些抗体反应,这个可能是为什么患者没有办法把它完全清除掉的原因。”董晨表示。

2021年3月,广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室冉丕鑫团队联合国内多家医院和澳大利亚墨尔本大学团队在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表了一项研究,他们对不同人群检测SARS-CoV-2 免疫T细胞的增殖和激活能力,结果表明感染者和密切接触者都产生了特异性的T细胞免疫,特别是无症状患者也具有较高的SARS-CoV-2特异T细胞免疫水平。

董晨还补充提到一点,他们和其他课题组也发现,有一些康复者其实对新冠病毒没有产生中和抗体,但是他有T细胞应答,“所以至少在这一部分人中,他可能主要是依靠T细胞来清除病毒,而不是中和抗体。”他强调,由此可见,T细胞是非常重要的。

张林琦谈到,从最近的一些已发表的文章,或者是尚未经过同样评议的预印本展示来看,确实在感染和免疫者身上可以观察到很强的T细胞反应,“不仅仅是针对于原始病毒的序列,针对新冠突变的,包括德尔塔和奥密克戎都有很强的反应。所以毋庸置疑,T细胞在防止感染,以及降低或者说是延缓疾病进展方面,起到了很重要的作用。”

奥密克戎在新冠病毒关键蛋白上的大量突变另外界担忧,科学家们最先评估的是中和抗体和疫苗的有效性是否打折扣。

2021年12月23日,《自然》同时在线篇评估疫苗和抗体对新冠病毒奥密克戎变异株有效性的论文。其中,哥伦比亚大学医学院教授何大一及其同事在其中一篇论文中提到,新冠疫苗和疗法对奥密克戎的效果要差很多。

研究团队调查了4种主要的新冠肺炎疫苗——辉瑞-生物科技(Pfizer-BioNTech)疫苗、莫德纳疫苗、强生疫苗以及阿斯利康疫苗——在来自54名参与者的样本中对奥密克戎的中和活性,这54名参与者均接种了完整的两剂疫苗(其中15名还接种了辉瑞-生物科技和莫德纳的加强针)。在所有疫苗类型中均观察到了抗奥密克戎有效性明显下降的现象,包括在两名曾经感染过新冠病毒的参与者身上亦不例外。不过,在接种了辉瑞-生物科技或莫德纳加强针的参与者的样本中,其抗体中和率下降程度较小。

但南非柳叶刀实验室等团队的研究人员在上述《自然》的研究中提到,中和抗体只是疫苗和既往感染形成的免疫保护的一个组成部分,预计细胞免疫反应受奥密克戎突变的影响较小。因此,疫苗接种仍然至关重要。

1月3日,美国贝斯以色列女执事医疗中心、美国哈佛和麻省理工拉贡医学研究所研究团队在医学预印本网站medRxiv上发表了一项研究。该研究也指出,高度突变的奥密克戎变异体已被证明可以逃避目前编码新冠原始毒株刺突蛋白免疫原的疫苗引发的大量中和抗体应答,导致突破性感染增加和疫苗效力降低。细胞免疫应答,特别是CD8+ T细胞应答,可能对预防严重的SARS-CoV-2疾病至关重要。

他们的研究表明,当前的新冠疫苗诱导的细胞免疫对奥密克戎变异体具有高度的交叉反应性。接受强生2.S或辉瑞BNT162b2疫苗接种的51名个体,显示了持久的CD8+和CD4+ T细胞应答,并对德尔塔和奥密克戎变异体表现出广泛的交叉反应,包括在中枢和效应记忆细胞亚群中。奥密克戎特异性CD8+ T细胞应答的中位数是新冠原始毒株特异性CD8+ T细胞应答的82%-84%。

他们在总结中指出,此前的临床前研究表明,在恒河猴中,CD8+ T细胞有助于抵抗新冠新冠,特别是当抗体反应不佳时。在感染和接种疫苗后,也有报道称CD8+和CD4+ T细胞有持久的反应。考虑到CD8+ T细胞在清除病毒感染中的作用,细胞免疫可能在很大程度上有助于预防严重疾病。

这项新研究特别强调,“这可能与奥密克戎尤其相关,该变异株逃逸了相当一部分的抗体反应。我们的数据表明,尽管减少了中和抗体反应和增加了突破性感染,但目前的疫苗可能对由于奥密克戎变异株而导致的严重疾病仍然提供了大量保护。”

荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯医学中心的临床病毒学家Corine Geurts van Kessel在接受《自然》杂志采访时表示,随着更多变异体的出现,以及如果世界开始将关注焦点从感染的数量转移到疾病的严重程度的话,T细胞可能也会得到更多的关注。她补充道,你对传染性感兴趣,那么抗体可能是更重要的检测方法;然而,如果你对疾病的严重性感兴趣,可能T细胞就变得更加重要。

美国西雅图的生物技术公司Adaptive Biotechnologies的首席科学官兼联合创始人Harlan Robins对《自然》杂志提起,上个月,辉瑞和BioNTech宣布,他们的新冠疫苗未能在2至5岁儿童中激发足够的抗体反应,“他们甚至没有观察T细胞的反应。”他认为,对抗体水平的过度关注有时会让研究人员沮丧。Adaptive Biotechnologies公司专门开发研究T细胞的方法。

董晨坚持一点,T细胞免疫和抗体最好是平衡的。“一般来说,康复者里面这两者还是比较均衡的,体液免疫和细胞免疫都是同时发生,而且还有一定的相关性,所以还是配合得很好。”他们团队的研究目前看到,从康复患者的外周血中来看,至少在康复后有10个月里,仍能检测到T细胞免疫的存在。

上述Adaptive Biotechnologies公司和斯坦福大学医学院团队的研究人员2021年12月也在medRxiv上发表了一项研究。他们结合以往实验中确定的新冠疫苗的表位定位,以及从数千名接种疫苗或自然感染的个体中确定的T细胞受体(TCR)库测序,评估奥密克戎变异体的细胞免疫应答的影响。

研究发现,尽管20%的CD4+ T细胞表位可能受到影响,但据估计,CD4+ T细胞介导的免疫损失略高于30%,因为一些受影响的表位相对更具免疫原性。对于CD8+ T细胞,他们估计损失约20%。再加上抗体的中和性预期大幅下降,新冠疫苗提供的整体保护可能受到不利影响。

但他们同时指出,从先前的变异分析来看,疫苗对抗症状性感染的有效性在很大程度上得到了维持,并且与T细胞反应有很强的相关性,但与中和性抗体反应并没有那么强的相关性。“我们预计,SARS-CoV-2疫苗诱导的剩余的70%-80%的靶T细胞仍可降低奥密克戎感染的发病率和死亡率。”研究团队在论文中写道,“新冠病毒似乎违反了疫苗效力主要由抗体中和决定的原则”。

研究团队还指出,通过体液免疫和细胞免疫反应评估预测的新冠疫苗保护效果的差异,突显了T细胞测试作为疫苗诱导免疫保护的可靠措施的重要性,特别是在存在可以逃逸免疫监测的新变异体的情况下。他们强调,随着新冠病毒的持续突变,还需要更多的研究来评估T细胞反应的进化预测价值。

董晨对澎湃新闻记者表示,围绕新冠病毒诱导的特异性T细胞,有两个重点问题值得深入探讨。

第一个是病毒突变本身,“最新统计数据显示,中国疫苗接种总人数已经超过12亿人,所以现在我们的人群已经跟2年前完全不一样了,是有一些基础免疫保护了,所以在这个基础上可能会有越来越多的无症状感染者,然后选择出来的病毒和没有免疫过的人群选择出来的突变株都有差异。”

第二点也尤为关键,就是要评估疫苗保护力够不够?如何去进一步增强?“面对病毒的突变,无论是康复者还是接种过疫苗的人群,他的免疫力会不会有所变化?以及未来疫苗技术路线的选择如何?”

董晨提醒道,“有突破性感染,是不是就意味着我们的疫苗不管用了?这仍然有待进一步研究。”他认为,从理论上来讲,灭活疫苗在应对病毒突变时具有一定优势,“mRNA疫苗或者亚单位蛋白疫苗等,实际上都是按照原始毒株的序列研发的,它们对奥密克戎的保护是更差的。相比之下,因为灭活疫苗中的病毒蛋白数量比较多,所以它的免疫保护是比较广谱的,虽然可能针对某一个蛋白或者某一个区域,它的保护力可能没有mRNA疫苗和亚单位蛋白疫苗那么强。”

Quadeer博士也谈到类似的一点,根据新冠病毒疫苗的成分,各种应对方式之间会存在明显的差异。“对于以刺突蛋白为靶标的疫苗,T细胞反应已被证明可以识别刺突蛋白的多个表位。对于全病毒灭活疫苗,尽管相关文献相对较少,但T细胞反应已被证明除针对刺突蛋白外,还针对其他结构蛋白,如核衣壳和膜蛋白。”

然而,大规模研究T细胞反应并不容易。“相比在新冠研究过程中中和抗体的评估来说,T细胞免疫应答研究比较少,就是因为它需要高质量的大量的T淋巴细胞,特别是PBMCs采集好之后,需要特定的条件以活细胞形式储存好,然后才能拿出来进行评估,要求比较高。”张林琦解释,这仅是第一点。

第二大难点在于,研究人员在评估T细胞的时候,需要很相对昂贵的试剂,包括新冠病毒蛋白的肽段等。一般来说,对于免疫原性的评估从体液免疫和细胞免疫两个方面来进行,体液免疫评估主要通过ELISA方法检测新冠特异性抗体含量和抗体中和试验检测中和抗体滴度等;细胞免疫评估主要通过ELISPOT技术(酶联免疫斑点实验)检测T细胞分泌IFNg的细胞频率以及通过流式技术检测胞内细胞因子量等。“多种因素导致了T淋巴细胞的研究相对比较少,另外由于使用的试剂、仪器、方法不一样,所以各实验室之间得出来的数据差别也会比较大。”张林琦表示。

董晨将之总结为技术手段的复杂性。“一般的实验室还是很难做,所以我以前也呼吁过,对于不管是疫苗还是感染引起的T细胞免疫应答,最好能够有类似于试剂盒这种方法,尽管不是马上能够做出来,但是需要研发这方面的检测手段,能够更灵敏更更简便。”

上述Adaptive Biotechnologies公司的创始人Harlan Robins同样认为,新的、更简单的T细胞研究方法可能会使这种方法在未来更加可行。

此前的2021年1月6日,上述Adaptive Biotechnologies公司就在medRxiv 发表了一项研究,他们开发了一种高通量、可扩展的检测SARS-CoV-2细胞免疫反应的方法TDetect™ COVID,增强了这种方法的有效性。研究团队认为,血清学(抗体)检测是评估新冠病毒感染或暴露、疾病流行和发病率以及免疫保护的主要方式,但其性能仍有很多限制,包括在患者无症状或轻微的感染患者中抗体滴度较低,甚至检测不到。他们同时指出,血清学检测可能不能反映个体原有免疫的线%此前认为没有接触过新冠病毒的个体中发现了T细胞反应。

值得注意的是,尽管T细胞免疫保护仍然能给予我们信心,但世卫组织在1月11日的一份声明中提到,虽然奥密克戎变异株正在全球范围内迅速传播,但预计SARS-CoV-2的变异将会持续,且奥密克戎不太可能成为最后的“关切变异株”。

声明指出,目前新冠疫苗的重点仍然是降低严重疾病和死亡风险,以及保护公共卫生系统。但同时提醒,重复加强接种原有成分疫苗的接种策略是不正确的,当前新冠疫苗的成分仍需要持续更新。

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