SARS-CoV-2 保护相关性的系统生物学解析：为疫苗研发照亮前路

《npj Vaccines》：A systems biology approach to define SARS-CoV-2 correlates of protection

新冠病毒（SARS-CoV-2）保护相关性（CoP）尚未明确，影响对其免疫的理解及未来疫苗审批。研究人员利用机器学习平台 SIMON，分析 90 只非人灵长类动物数据，确定了相关免疫参数。该研究为 CoP 定义及疫苗研发提供关键依据。

　　在新冠疫情的漫漫征程中，新冠病毒（SARS-CoV-2）曾给全球带来沉重打击。尽管随着疫苗的成功研发与广泛接种，疫情形势有所缓和，但仍存在诸多亟待解决的问题。目前，SARS-CoV-2 的保护相关性（CoP，即 “负责并与保护相关的免疫反应”）尚未得到充分定义，这极大地阻碍了人们对 SARS-CoV-2 免疫机制的深入理解。同时，也可能导致未来针对 SARS-CoV-2 变异株（VOCs）疫苗的审批进程放缓。例如，在流感疫苗的研发中，对流感 CoP 的深入了解起到了核心作用；而在脑膜炎球菌疫苗的评估和审批中，血清杀菌抗体（SBA≥1:4）作为 CoP 的金标准。相比之下，SARS-CoV-2 在这方面的缺失显得尤为突出。

为了攻克这些难题，来自英国牛津大学（University of Oxford）、英国卫生安全局（UK Health Security Agency）等机构的研究人员开展了一项重要研究。该研究成果发表在《npj Vaccines》杂志上。研究人员期望通过深入探究，明确 SARS-CoV-2 的 CoP，为未来疫苗的研发提供关键依据，进而更有效地预防和控制新冠病毒的传播。

研究人员运用了多种关键技术方法。他们收集了 90 只恒河猴（RhM）或食蟹猴（CyM）的多参数免疫学数据集，这些动物参与了不同的 SARS-CoV-2 疫苗临床前试验和再挑战研究。同时，研究人员使用了机器学习平台 SIMON（Sequential Iterative Modelling Overnight），该平台能从高维数据集中提取知识，识别免疫反应与保护之间的关联模式。此外，还运用了多种免疫检测技术，如 ELISA（酶联免疫吸附测定）、MSD（MesoScale Discovery 检测）、MNA（微量中和试验）、IFNγ ELISpot（干扰素 γ 酶联免疫斑点试验）等，对动物的免疫反应进行全面监测。

下面来详细了解一下研究结果：

• 免疫反应和结果的异质性：研究人员给 90 只恒河猴和食蟹猴接种不同的疫苗候选物（包括 mRNA 疫苗、DNA 疫苗、福尔马林灭活疫苗（FIV）或 ChAdOx 载体疫苗），或作为对照组不进行免疫，随后用高剂量的 SARS-CoV-2 对它们进行挑战或再挑战。在感染急性期收集鼻拭子和咽拭子进行 qPCR 检测，在挑战后 6 - 8 天采集肺部样本进行组织病理学评估和 qPCR 检测以确定肺部病毒载量。结果发现，不同疫苗平台、剂量和接种方案下，动物的免疫反应和结果存在显著差异。例如，两剂高剂量的 mRNA 疫苗和两剂 DNA 疫苗能通过组织病理学评分显示出对严重感染的保护作用；而只有自然感染产生的免疫力能够保护动物免受上呼吸道感染，再挑战的猕猴相比未接种疫苗的对照组，鼻和咽的病毒载量 AUC 显著降低12。
• 免疫特征与临床保护的关系：研究人员通过综合分析和预测建模，发现外周刺突结合 IgG 和中和抗体（NAbs）是临床保护的强预测指标。高 SARS-CoV-2 刺突结合 IgG 滴度和高 NAb 滴度能显著区分 “受保护” 和 “发病” 的结果。此外，IgG 亚类也与临床保护相关，受保护的猕猴在 IgG4、IgG3、IgG2 和 IgG1 高滴度类别中的占比与发病组存在显著差异。同时，早期 T 细胞反应也很重要，高丰度的 CD4 和 CD4⁺CD95⁺ T 细胞在基线时是保护的预测指标34。
• 免疫特征与肺部病毒载量的关系：以 BAL 液 qPCR 检测肺部 SARS-CoV-2 病毒 RNA 载量作为保护终点，研究发现许多预测临床保护的参数也能预测低肺部病毒载量。如高 SARS-CoV-2 刺突 IgM、高刺突 IgG、高 RBD IgG 滴度和高 NAb 滴度都是低肺部病毒载量的预测指标。此外，SARS-CoV-2 反应性 PBMCs（通过 IFNγ ELISpot 在接种第一剂疫苗两周后测量）也能正向预测低肺部病毒载量56。
• 免疫特征与上呼吸道病毒载量的关系：尽管研究未直接测量病毒传播，但通过测量挑战后 6 - 8 天鼻和咽的病毒滴度来评估传播风险。结果发现，临床和上呼吸道病毒载量应被视为不同的结果。高刺突 IgG、高 RBD 结合 IgG 滴度和高 NAb 滴度在挑战当天能预测低咽病毒载量；而较高的预免疫（研究基线）对 HKU1 刺突和 SARS-CoV-2 核衣壳的 IgG 反应以及高频率的 CD14^hiCD16^hi中间单核细胞和粒细胞在接种第一剂疫苗两周后能预测高咽病毒载量78。
• 预测保护性体液反应的免疫特征：由于刺突结合抗体是临床和病毒保护的一致强预测指标，研究人员使用 SIMON 分析确定了预测高或低刺突结合 IgG 滴度的早期免疫参数。高基线 IgG 对季节性 β - HCoV 刺突的反应预测低 SARS-CoV-2 刺突 IgG 滴度；而高 SARS-CoV-2 刺突 IgG 或核衣壳 IgG 反应在基线时预测高刺突 IgG 滴度。此外，高频率的中间和非经典单核细胞在接种第一剂疫苗两周后预测低刺突 IgG 滴度，而 SARS-CoV-2 反应性 T 细胞在接种第一剂疫苗两周后、四周后和接种第二剂疫苗两周后正向预测高刺突 IgG 滴度910。

在研究结论和讨论部分，该研究具有重要意义。一方面，研究表明外周刺突结合 IgG 和 NAbs 可能是 SARS-CoV-2 的一种物种和疫苗独立的 CoP，为 SARS-CoV-2 的 CoP 定义提供了关键依据。另一方面，研究发现不同免疫参数对临床保护和病毒载量保护的预测存在差异，强调了在定义 CoP 时需明确与免疫后感兴趣的结果相关。此外，研究还指出 T 细胞在病毒控制中可能发挥重要作用，且独立于其在支持抗体发展中的作用。然而，该研究也存在一些局限性，如缺乏 B 细胞数据、黏膜和肺组织数据，且使用的疫苗种类有限等。尽管如此，该研究为未来 SARS-CoV-2 疫苗的研发和优化提供了重要的方向和参考，有助于推动疫苗学的发展，更好地应对新冠病毒及未来可能出现的相关传染病挑战。