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单细胞免疫分析同源或异源加强疫苗接种增强SARS-CoV-2体液免疫的细胞基础
Hello！大家好呀，今天小编给大家带来复旦大学张文宏、姜宁等人本月发表在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”在这片文章中，作者研究了同源BBIBP-Corv/BBIBP-Corv或异源BBIBP-Corv/ZF2001的受者在超过6个月的加强剂量免疫后抗体反应和单细胞免疫图谱的持久性。两种强化方案都显著增加了中和抗体的产生，抗体可以持续至少六个月。该研究揭示了加强免疫诱导记忆/适应性体液免疫的细胞机制，并提出了在未来迭代中优化疫苗效力和持久性的潜在策略。
2019年底到现在，新冠肺炎已感染5亿多例病例，世界卫生组织已报告了600多万死亡病例。疫苗接种控制疫情的基石。全球范围内，已经接种了近数十亿剂各种新冠肺炎疫苗。临床评估疫苗诱导的免疫反应通常涉及免疫原性、安全性和保护效果。疫情期间开发的不同疫苗中，灭活疫苗目前在中国和世界其他地区广泛使用。
接种疫苗后，免疫系统保持记忆能力，防止后续感染，防止疾病发展到严重阶段。适应性免疫系统的记忆细胞和体内巡逻的抗体可以识别入侵者，并在再次遇到时产生快速反应。这些成分在体内持续的时间决定了免疫记忆的持久性。在大多数研究中，这些都是通过抗体的滴度和光谱以及抗原特异性B细胞和T细胞的大小来量化的。抗体滴度在初级疫苗系列接种后下降，因此主张增加剂量。然而，在加强剂量后，针对以前和当前循环中的变种的抗体的持久性，增强激活的B细胞免疫的确切细胞过程，以及记忆B细胞可以持续多久，都是不清楚的。该研究对同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或异源BBIBP-CorV/ZF2001的受体进行了超过6个月以上的增强剂量免疫后抗体应答的持久性和单细胞免疫谱进行了研究。两种强化方案都显著提高了中和抗体的产生，抗体可以持续至少6个月。
作者对所有登记的接受者进行了假病毒中和试验（PVNT）实验，并评估了同源BBIBP-CorV/BBIBP-CorV或异源BBIBP-CorV/ZF2001加强疫苗接种后的中和滴度(图1a)。在6个月的随访期内，异源组的pVNT值显著高于同源组。
BBIBPCorV/ZF2001组在加强剂量后180天的Omicron pVNT水平是基线的6.35倍，而BBIBP-corv/BBIBP-corv组的水平是基线的3.56倍。在加强接种后180天内，原型菌株的pVNT滴度趋势与针对Omicron变体的趋势相似(图1b)。两种增强剂都能诱导长期产生抗RBD抗体(图1c)。此外，异源组的抗体水平高于同源组。
接下来，将接种后6个月的抗体消退与其他已发表的数据集进行了比较。发现，异源加强免疫策略在诱导可持续体液免疫方面显示出一定的优势。
接下来，使用scRNA-seq和SCV(D)J-seq来研究同种和异源加强免疫后免疫细胞谱和B细胞克隆的动态变化。
在scRNA-seq组的D0、D3、D14、D90和D180启动子上进行病毒中和试验（sVNT ）。发现，B细胞免疫在接种后两周内迅速激活，此后逐渐下降。6个月中，异源强化组的SVNT滴度总体上高于同源组。然而，中和活性在高抗体滴度组和低抗体滴度组均保持不变。在同源强化组中也观察到了同样的现象。在异源组(PrSV)中，分为四分位数最高的受试者(PrSV H组)和四分位数最低的受试者(PrSV L组)。接种6个月后，PrSV H组的抗体水平是iNAV H组的5.66倍(图2b)。
在加强免疫前(D0)和接种后D3、D14、D90和D180采集外周血单核细胞(PBMC)(图2a)。经定性筛选，共获得454,202个单细胞转录本。通过signature基因识别了六种主要的已知细胞类型，包括B细胞、T细胞、树突状细胞(DC)、单核细胞、自然杀伤(NK)细胞和造血干细胞(图2 c,d)。除了转录组分析外，我们还利用单细胞B细胞受体(BCR)测序(scBCR-seq)来研究B细胞免疫激活期的克隆性扩张和记忆期的持久性。
在B细胞群体中，有三种主要的亚型：naïve B细胞、记忆B细胞和浆细胞(图3a，b)。浆细胞作为抗体分泌的主要来源，在加强免疫后表现出快速的克隆性扩张(图3c)。异源组比同源组表现出更早的扩张动力学。扩增克隆的主要BCR亚型在同源组中为IGHA2和IGHG2，在异源组中为IGHA1和IGHG1(图3d)，表明不同启动子诱导的体液免疫存在质的差异。与克隆性扩增一致，异源组浆细胞增殖较早(图3e)。GO富集分析显示，异源组浆细胞中与蛋白质翻译、折叠和糖基化相关的基因表达水平较高。此外，线粒体中的氧化磷酸化更加明显(图3f)。这些特征可以部分解释异源组产生较高抗体的原因。
为了研究加强免疫后B细胞的来源，作者计算了D3/D14的浆细胞扩增克隆之间共享的BCR克隆和D0/D3/D14检测到的总记忆B细胞克隆(图4 a)。在浆细胞中检测到的134个扩增克隆是疫苗相关克隆，其中17个克隆与部分记忆B细胞共享BCR，表明SARS-CoV-2特异性记忆B细胞被召回。另有11个扩增的浆细胞克隆在D0/D3与naïve B细胞共享BCR，这表明加强免疫后B细胞的激活和分化。与从头克隆相比，召回的克隆显示出更高的体细胞超突变(SHM)(图4 b)和同型转换(图4 c)的频率，这表明召回的克隆产生的抗体可能具有更好的活性和广度。
在D3/D14检测到的1293个扩展记忆BCR克隆中，有380个是在D90/D180检测到的，显示出良好的B细胞记忆持久性(图4d)。与在D90/D180检测到的全部BCR克隆相比，这些共享克隆中约60%表达Ig A或Ig G(图4e)，这与它们的记忆细胞来源一致。此外，这些持久克隆的SHM频率高于总克隆(图4F)。D180的持久克隆的SHM频率甚至高于D90的SHM频率(图4G)，这表明抗体亲和力持续成熟。
不同的受者对同种或异源加强免疫表现出高度不同的抗体效果。将同源和异源加强免疫受者重新分组为高抗体滴度组和低抗体滴度组，分析了调节抗体应答的关键免疫学途径，即抗原递呈和滤泡辅助T细胞激活。
cDCs的抗原提呈活性与抗体效果呈正相关(图5a)。而pDC或单核细胞活性与抗体滴度呈负相关。而cDC抗原提呈与抗体效果的相关性仅在D0时明显(图5b)，这表明cDC功能起着关键作用。此外，在D0时，高抗体滴度组的cDC中Toll样受体信号和细胞因子信号(肿瘤坏死因子、干扰素和IL-1)更活跃，这可能导致cDC激活(图5c)。GO-BP富集分析表明高抗体滴度组的cDC具有更好的细胞活化、细胞黏附和抗原提呈(图5d)。因此，cDC的激活和功能可能是触发加强子诱导的抗体反应的关键。
在cDC和B细胞之间，T细胞起着至关重要的桥梁作用。在接受cDC的抗原刺激后，部分T细胞分化为滤泡辅助T细胞(Tfh)，帮助B细胞分化为浆细胞和记忆细胞。在D14，高抗体滴度组的Tfh细胞比例显著高于低抗体滴度组(图6a)。GO-BP富集分析进一步表明，在D3/D14高抗体滴度组Tfh细胞中上调的基因与病毒应答有关(图6b)。细胞通讯分析表明，在D3/D14和D90/D180(图6c)，高抗体滴度组CDC、Tfh细胞和B细胞之间的关联更强，这表明在高抗体滴度组中，SARS-CoV-2免疫背后的生物学过程更活跃，包括抗原递呈和有助于B细胞成熟的Tfh细胞的激活。
接着作者研究了参与体液反应的免疫细胞的能量代谢动力学。在所有类型的细胞中，CDCs表现出最活跃的能量代谢，既参与糖酵解，又参与氧化磷酸化（OXPHOS）。Tfh细胞也参与糖酵解和OXPHOS，但程度较低。然而，记忆B细胞和浆细胞更多地依赖于OXPHOS而不是糖酵解。在高抗体滴度组，谷氨酰胺分解途径在所有四种细胞类型中都上调。同时，在四种细胞类型中，高抗体滴度组的脂肪酸氧化途径表现出轻微但显著的上调。糖酵解途径表现出相对复杂的模式。例如，与低抗体滴度组相比，高抗体滴度组的糖酵解水平在D0时相似，在D3/D14时上调，在D90/D180时下调（图7a）。
磷酸戊糖途径(PPP)是一种与糖酵解平行的代谢途径，促进合成代谢而不是分解代谢。PPP在cDC中高度活跃，而在其他类型的细胞中表现出极低的激活。当比较高抗体滴度组和低抗体滴度组时，高抗体滴度组cDC的PPP在早期时间点更活跃。己糖胺生物合成途径(HBP)是糖酵解的一个分支，它产UDP-GlcNAc用于蛋白质糖基化。浆细胞参与活性HBP是因为糖基化对抗体活性至关重要。相比之下，记忆B细胞表现出极低的HBP活性。浆细胞的HBP活性与抗体效价也有明显的相关性。
在这项研究中，作者发现同源或异源第三剂加强疫苗对健康成年人具有高度的免疫原性，并且免疫反应至少持续6个月。异源增强剂诱导浆细胞更快、更强劲的激活，导致更高的抗体产生。同种或异源加强免疫均可诱导B细胞的记忆回忆和从头激活，而诱导的抗体亚型在两种加强免疫中有显著差异。cDCs和Tfh细胞的激活与抗体效价呈正相关。活跃的能量代谢，特别是谷氨酰胺分解对抗体的产生也是至关重要的，作者发现了了一种潜在的营养补充策略，可以提高疫苗的效力。
