文献学习-新冠的免疫学和免疫病理学

摘要

全球范围内已经进行了大量的研究工作，以破译SARS-CoV-2感染引发的免疫应答，确定严重和致命2019冠状病毒疾病的驱动因素，并了解是什么导致疾病消退后症状延长。我们回顾了近2年的2019冠状病毒疾病免疫学研究结果，并讨论了有关我们对2019冠状病毒疾病病理生理学理解的明确发现和遗留问题。我们讨论了对长冠状病毒疾病综合征(也称为 SARS-CoV-2后急性后遗症)患者和非患者免疫反应差异的新认识。我们希望从这项2019冠状病毒疾病研究中获得的知识能够应用于危重和慢性疾病的炎症过程的研究，这些疾病仍然是一个尚未得到满足的主要需求。

引言

2019年12月，中国疾病预防控制中心报告了一系列原因不明的肺炎病例。新型贝塔冠状病毒基因组的第一个完整数列随后于2020年1月被确定。这种病毒最初被称为2019-nCoV 病毒(2019年新型冠状病毒) ，后更名为SARS-CoV-2 ，由该病毒引起的疾病被称为2019年冠状病毒病(2019冠状病毒疾病)。2019冠状病毒疾病症状包括完全无症状、严重疾病和死亡(表1)。最常见的表现是发烧、咳嗽和唿吸困难，其他常见症状包括疲劳、肌痛、恶心、呕吐、腹泻、头痛、虚弱、流鼻涕、嗅觉丧失和胃痛。多种并发症可导致严重疾病和死亡，包括肺炎、急性呼吸窘迫症候群、肝损伤、心脏损伤、血栓形成(包括中风、肾脏疾病、神经系统疾病和败血症)。

随着病毒的进化和新的变异体的出现，有人担心这些变异体可能会通过逃避以前的感染或疫苗接种产生的免疫或通过诱导更严重的疾病而增加发病机制。一些令人关注的变体(VOC) ，如1.351(Beta) ，P. 1(Gamma)和最近描述的 B.1.1.529(Omicron) ，具有使其对疫苗介导的和感染获得性免疫较不敏感的突变。尽管已知菌株如 B.1.1.7(Alpha)和 B.1.617.2(Delta)传播更有效，但是一些变异体是否在原发感染时诱导比其他变异体更严重的疾病还不太明显，使得难以区分增加的感染率和增加的严重程度。随着新的变异体的出现，重要的是指导持续的研究工作，以确定这些变异体如何逃避先天性或适应性免疫反应。在这里，我们回顾了我们对2019冠状病毒疾病免疫学和免疫病理学的理解进展。

SARS-CoV-2的先天免疫

冠状病毒是具有约30,000个碱基的正义 RNA 链基因组的包膜病毒。非典型肺炎冠状病毒2型属于贝塔冠状病毒属，亦包括严重急性呼吸综合症冠状病毒(非典型肺炎冠状病毒)及2012年新型冠状病毒冠状病毒(中东呼吸综合症冠状病毒)。先天免疫系统使用各种模式识别受体(PRR)来检测病毒的存在。RNA 病毒如冠状病毒通过两种不同的策略被检测到(8)。在一种策略中，专门的免疫细胞如浆细胞样树突状细胞(pDC)通过 Toll样受体7(tLR7)检测内体中传入的病毒基因组 RNA。其他细胞类型表达内体 TLR3(多种细胞)和 TLR8(骨髓细胞) ，其也可以分别识别内吞双链 RNA (dsRNA)或单链 RNA (ssRNA)。肺泡巨噬细胞检查呼吸道的管腔并提供第一道防线。另一种策略涉及感染细胞内的病毒识别。在病毒复制过程中，dsRNA 中间体可以被胞质 RNA 传感器如 RIG-I 和 MDA5或 RIG-I 样受体(RLR)识别。在 TLR 和 RLR 接合后，信号传导下游激活 I 型和 III 型干扰素(IFN)以及核因子 κB (NF-κB)依赖性促炎细胞因子和趋化因子的 IRF3/IRF7依赖性转录。

SARS-CoV-2擅长通过表达一些阻断这些通路的病毒蛋白来逃避先天识别，信号传导，IFN 诱导和 IFN 刺激的基因(ISG)。因此，与其他呼吸道病毒相比，SARS-CoV-2感染者的肺部或外周血中检测到较低水平的 IFN-I 或 IFN-III (10-12)。IFN-III (IFN-λ1和 IFN-λ3)和 ISGs 在疾病风险或严重程度降低的患者的上呼吸道中表达，而 IFN-λ2和 I 型 IFNs (但不是 ISGs)的表达可以在发生严重2019冠状病毒疾病的患者的上呼吸道中升高(13)。患有干扰干扰素途径的基因突变或自身抗体的患者患有威胁生命的2019冠状病毒疾病疾病，如下所述。在疾病的晚期，延长的 IFN 分泌与更差的疾病结果相关(14,15) ，可能通过诱导趋化因子募集炎性细胞浸润(16)。此外，2019冠状病毒疾病血液和肺部的免疫前哨细胞(包括 pdCs 和常规 dCs)数量也显著下降。

PRR 信号诱导的先天性免疫应答激活效应细胞介导病毒清除。例如，NK 细胞有助于检测和消除病毒感染的细胞。然而，在严重2019冠状病毒疾病患者中，NK 细胞从血液中耗尽，并由于转化生长因子 β (TGF-β)而功能失调，从而损害其抗病毒功能。肺泡巨噬细胞通过感知和触发有效的抗病毒免疫而在肺中发挥重要的前哨作用，在严重疾病患者的肺中严重耗竭(19,20)。与 IFN-I 和 IFN-III 介导的早期抗病毒防御受损相反，促炎细胞因子和趋化因子显著升高(16)。此外，与中度疾病患者相比，严重疾病患者的血液循环中的 T 细胞被深度耗尽，这表明能够清除病毒感染细胞的适应性效应 T 细胞的诱导可能在严重患者中受损(14,21-24)。导致严重2019冠状病毒疾病的病理性免疫反应将在下面讨论。

SARS-CoV-2的获得性免疫

鉴于后天免疫系统在预防病毒感染和疾病方面的关键作用，科学界一直积极研究体液抗体和细胞介导免疫，以确定保护的相关性，开发免疫疗法，并优化疫苗设计和施用(25-27)。

Abs 可以通过阻断病毒穗(S)蛋白与 ACE2受体的结合来中和 SARS-CoV-2，并且可以通过与补体和 Fc 受体的结合来促进效应功能(28)。结构指导的血清学研究表明，大部分中和抗体与 S 蛋白的受体结合结构域(RBD)中的不同表位结合，主要与代表受体结合基序(RBM)的位点1a 和1b 结合。此外，一小部分中和抗体与 N- 末端结构域(NTD)结合(29-31)。此外，一些 RBM 特异性抗体可以模拟 ACE2，直接触发并因此使融合蛋白失效，这是最初在 SARS 冠状病毒中发现的特性。RBD 和 NTD 以外的中和表位通常是次优势的，但在茎-螺旋区域的情况下可能更保守(32)。抗体反应的数量和质量与抗原的数量和反应成熟的生发中心反应的持续时间有关(33)。在感染、免疫前和接种疫苗的个体中检测到越来越多的抗体反应，这很可能反映了抗原负荷和暴露的差异(29,34)。在免疫抑制患者和接受透析的患者中，抗体反应一般较差，并且已被证明有助于病毒的长期持续存在，有利于选择变异体(35)。

由 SARS-CoV-2感染引起的 CD4 + 和 CD8 + T 细胞针对包括结构和非结构蛋白在内的一系列抗原，并且与较轻的疾病显着相关(36)。Ab 介导的恢复期猕猴中 CD8 + T 细胞的消耗部分消除了对 SARS-CoV-2再攻击的保护作用，表明 CD8 + T 细胞在 Ab 应答减弱时的作用(37)。鉴于其与诱导中和抗体的相关性，CD4 + T 细胞对 S 蛋白的反应已经在恢复期个体和接种者中用预测算法，肽或蛋白质刺激和 T 细胞克隆的分离进行了详细的研究(38-40)。这些研究揭示了 RBD 中的多个 T 细胞表位ーー包括一个在 Sarbecovirus 和 VOCs 中高度保守的免疫显性位点。正如下面所讨论的，严重2019冠状病毒疾病的局限性之一是严重的 T 细胞淋巴细胞减少症，这会影响宿主产生强大免疫应答的能力。

由普通感冒冠状病毒引起的抗体和记忆 T 细胞被 SARS-CoV-2感染或疫苗接种召回，但它们在保护或病理学中的作用仍有待确定(41,42)。此外，有人提出，在流产感染中发现的特异于早期转录复制转录复合物的先前存在的记忆 CD4 + T 细胞可能赋予对 SARS-CoV-2的交叉保护(43)。此外，季节性冠状病毒引起的交叉反应性抗体可能影响疾病的进程以及对 SARS-CoV-2的从头免疫应答(44,45)。

关于 RSV 的开创性研究为使用稳定的融合前蛋白作为疫苗来促进中和抗体的生产铺平了道路(46)。同样，在 Moderna 和辉瑞/BionTech mRNA 疫苗以及基于 Ad26的强生疫苗中，预融合稳定的 S 蛋白被用于优化中和抗体的产生，同时限制由自然感染引起的特异于融合后构象的非中和抗体的产生(47)。然而，新出现的 SARS 冠状病毒 -2挥发性有机化合物可以逃避由感染引起的中和性抗体应答或基于武汉株(武汉 -Hu-1)(48-50)的现有疫苗引起的中和性抗体应答。在 VOCs 中发现的突变主要集中在 RBM 中，导致与 ACE2的结合增加，并从中和抗体中逃逸。此外，NTD 的突变和缺失改变了结构域的结构，并且可以解释针对不同 VOCs 观察到的中和滴度的差异(31)。这种奥密克戎变异株特别携带15个 RBD 基因突变，大大削弱了先前感染或接种疫苗引起的中和活性。

对记忆 B 细胞的询问提供了大量的单克隆抗体，这些单克隆抗体在解剖保护机制和通知疫苗设计方面发挥了重要作用。值得注意的是，几种有效的中和单克隆抗体已经被迅速开发出来，并且被发现在治疗早期感染可能有危险的患者时是有效的(27)。这种方法的一个局限性可以在 S 蛋白的变异性中找到，特别是 RBM 的变异性，其已经降低或消除了几种批准的单克隆抗体(即使联合使用)对高度突变的奥密克戎变异株的功效(51)。目前的策略是关注对变体不太敏感的抗体，因为它们模拟 ACE2或识别保守的表位，如 S309/sotrovimab，其结合 RBM 外的 RBD 位点 IV 并保留针对 VOCs 的病毒中和活性和效应功能，包括 Omicron (51)。

诱发风险因素

到目前为止，年龄是重症肺炎的最大危险因素，从65岁开始，危及生命的疾病的危险急剧增加。令人惊讶的是，通常有感染流感风险的婴幼儿通常不会患上严重的疾病(67)。男性患者发生严重2019冠状病毒疾病的风险要高得多，这可能是由于与女性相比，先天免疫力增强和 T 细胞活化受损(68)和/或更高水平的褐藻糖化抗 SARS-CoV-2抗体(66)。糖尿病、高血压、肥胖和慢性肾脏疾病也是严重2019冠状病毒疾病的重要危险因素。这些情况可能包括慢性炎症病变，这可能会加强和延长炎症周期。代谢综合征ーー通常与糖尿病和肥胖患者的胰岛素抵抗有关ーー也会导致血管损伤和组织修复受损。由于延迟的病毒清除更可能导致免疫细胞的公开募集和激活，血管损伤和组织修复受损，因此感染第一阶段期间免疫应答的快速性和质量对于这些患者尤为关键。

2019冠状病毒疾病的免疫导向治疗

与免疫应答在驱动发病机制中的主要作用相一致，多种免疫调节剂已被用于治疗2019冠状病毒疾病，其中一些已证明有效。循证治疗指南由国立卫生研究院定期更新，并包含指导这些建议的所有主要文献的参考文献(69)。随着新药的开发和新的临床试验使新的适应症成为可能，这些指南将继续发展。最近批准直接作用的抗病毒药物利托那韦增强的 nirmatrelvir (Paxlovid) ，Remdesivir 和 molnupiravir 用于非住院的轻度至中度2019冠状病毒疾病患者，这些患者有很高的疾病进展风险，是这种最近修改的一个极好的例子。没有住院但有疾病进展高风险的患者可以受益于抗 SARS-CoV-2单克隆抗体产品(bamlanivimab 加 etesevimab，或 sasirivimab 加 imdevimab 或 sotrovimab)(69)。对于需要补充氧气的住院患者，推荐使用瑞德西韦(一种直接作用的抗病毒药物)和地塞米松(一种广谱皮质类固醇)(69)。地塞米松在改善晚期疾病患者预后方面的成功突出了炎症反应在介导发病机制中的关键作用，并标志着与这种类固醇治疗有害的流感治疗相当大的偏离。事实上，一些更有针对性的药物也被证明是有益的，特别是抵消 IL-6途径的药物，包括 tociluzimab 和 sarilumab (69)。JAK-STAT 信号通路的抑制剂如巴西替尼和托法替尼也显示出希望(69)。靶向 IL-1途径的药物如 anakinra 和 canakinumab 也已经被测试，尽管缺乏足够有力的证据来推荐它们的使用(69)。重要的是，IL-6和 JAK-STAT 阻断剂必须在最近住院的病程迅速下降的患者短期内使用。据推测，这是当中断“细胞因子风暴”可以改变疾病的结果。当这种抗炎药物在病情较轻或使用太晚的人群中使用时，就会出现危害的趋势，因此必须确定那些需要干预的炎症患者。这为未来的诊断方法打开了大门，以便更好地将特定的患者与特定的药物相匹配。

长新冠的免疫学

现在很清楚，2019冠状病毒疾病可能导致大部分幸存者患上长期疾病，通常被称为长期冠状病毒疾病综合症或 SARS-CoV-2感染后的急性后遗症(pASC)。尽管在 PASC 的定义上没有普遍的共识，但美国疾病控制和预防中心将其定义为人们在首次感染 SARS-CoV-2后4周或更长时间内经历的一系列新的、返回的或正在发生的健康问题。相比之下，世界卫生组织将其定义为确诊或可能感染 SARS-CoV-2的人群中出现的情况，通常从出现症状的2019冠状病毒疾病开始3个月，持续至少2个月，不能通过其他诊断来解释(图2)。一项包含250,351名符合 PASC 纳入标准的系统综述的57项同行评审研究显示，患者的中位年龄为54.4岁，56% 为男性，79% 在急性2019冠状病毒疾病2019冠状病毒疾病期间住院(70)。在6个月时，54% 的幸存者出现至少一种 PASC 症状。然而，非住院2019冠状病毒疾病幸存者发展为 PASC 的主要是中年妇女。在一项对445名非住院丹麦2019冠状病毒疾病患者的调查中，36% 的症状参与者报告了持续性症状(最常见的是疲劳、记忆和注意力难以集中) ，随访时间超过4周。持续症状的危险因素包括女性(男性和女性分别为44% 和24% ，比值比2.7)和体重指数(比值比1.1)(71)。

PASC 的免疫生物学研究正在进行中。主要假设包括(i)驱动慢性炎症的组织中的持续性病毒或病毒抗原和 RNA，(ii)在急性病毒感染后触发自身免疫(72) ，(iii)微生物组或病毒组的生态失调，以及(iv)未修复的组织损伤(图2)。SARS-CoV-2病毒蛋白和/或 RNA 已经在整个呼吸，心脏，肾脏和生殖系统中以及在感染后的大脑，肌肉，眼睛(73) ，胃肠道(73-75)和淋巴结(73,75)个月中被检测到。在疾病的早期和晚期，异常的先天性免疫刺激与 PASC 有关。研究表明，一些炎性细胞因子，包括 IL-6，TNF-α 和 IL-1β 在 PASC 患者中升高(76,77)。与对照组相比，PASC 患者感染8个月后 IFN-β 和 IFN-λ1水平仍然升高。此外，IFN-β，PTX3，IFN-γ，IFN-λ2/3和 IL-6的组合与 PASC 相关，准确率为78.5% 至81.6% (78)。对309名2019冠状病毒疾病患者(71% 住院)进行了深入、多元、纵向调查，从最初的诊断到确定4个 PASC 预期的风险因素(2型糖尿病、 SARS-CoV-2 RNA 血症、 Epstein-Barr 病毒血症和 autoAbs)后的2至3个月进行了初步2019冠状病毒疾病诊断。自身抗体与抗 SARS 冠状病毒2型抗体呈负相关。这些数据共同表明，病毒成分的持续存在可能导致干扰素和细胞因子的慢性升高。此外，某些自体抗体可能为这种病毒持久性提供了许可条件。然而，病毒蛋白和 RNA 以及这些升高的细胞因子之间没有因果关系。

对 SARS-CoV-2的适应性免疫反应已经在 PASC 和非 PASC 康复个体中进行了研究。对有无 PASC 确诊2019冠状病毒疾病的个体进行的研究发现，在8个月的研究中，抗 S 抗体水平没有差异，病毒 RNA 的初始 PCR Ct 值也没有差异(80,81)。其他研究发现，与恢复期个体相比，PASC 患者中再表达 CD45RA (TEMRA)的抗 N,-M 和-S CD8T 效应记忆(TEM)细胞和 TEM 细胞减少，而抗 N T 滤泡辅助细胞(TFH)和抗 N IgG 水平在血液循环中升高(82)。这些研究表明病毒抗原可能持续驱动免疫刺激。

正如上文所述，自动抗体已在急性2019冠状病毒疾病中检测到，并有证据显示自动抗体在诊断时与 PASC 相关(79)。一项对31名患有不同 PASC 症状(包括神经和心血管症状)的患者进行的研究显示，在所有31名患者中，存在2至7种不同的 GPCR 功能性自身抗体(fAAbs) ，作为受体激动剂。其中一些 GPCR-fAABs 激活其靶受体，在新生大鼠心肌细胞中引起正变时效应，而另一些则引起负变时效应(83)。除了自身免疫性疾病之外，GPCR 的自身抗体还与许多心血管、肺和中枢神经系统疾病有关(84) ，并可能在介导 PASC 症状方面发挥病理作用。

紧急结果表明，2019冠状病毒疾病疫苗可能对一部分个体的 PASC 症状有影响。使用自我报告数据的前瞻性病例对照研究发现，与未接种疫苗的匹配对照组(n = 906)相比，SARS-CoV-2感染前的两剂疫苗(n = 906)在28天后降低了延长症状的风险(85)。对1296例 PASC 患者队列的现有数据进行分析，模拟了1:1匹配(接种: 未接种)试验，以确定 PASC 患者接种疫苗的效果，发现感染后38天接种疫苗显着降低了感染后120天延长症状的风险(86)。根据对240,648名 SARS 冠状病毒2型感染者的病史进行的回顾性分析，即使在感染后的前12周内接种疫苗，发生冠状病毒疾病的风险也会降低。目前还不清楚这种疫苗究竟是如何预防或治疗 PASC 的。这可能是由疫苗引发的抗 S 抗体和 T 细胞促进清除残余抗原或病毒颗粒，消除慢性炎症的原因。疫苗诱导的细胞因子也有可能作用于自身反应性淋巴细胞，并关闭致病性细胞因子的产生或重新编程致病性淋巴细胞。需要评估 PASC 患者对疫苗的免疫应答，以揭示疫苗保护的潜在机制。

结束语及未来方向

2019冠状病毒疾病大流行造成了大规模的破坏，导致无数人丧生，但也有一线希望。其中最重要的是特别迅速地开发高效疫苗，并为应对未来的大流行病确立了一个策略。一个令人欣慰的前景是，我们对2019冠状病毒疾病的理解和治疗的进步在多大程度上得益于前所未有的科学合作。免费共享数据使我们能够迅速收集免疫系统在2019冠状病毒疾病保护和发病机制中的作用的关键见解。这样的洞察力无疑将帮助我们为下一次大流行做好准备，就像几十年前的免疫学研究导致了我们目前的2019冠状病毒疾病疫苗一样。然而，许多挑战仍然存在，我们在结束这种大流行方面的进展受到疫苗分布不公平和变异体增加的威胁，这些变异体不太容易接种疫苗和以前的感染介导的免疫。随着感染继续发生，仍然需要新的治疗方法，因此需要更好地了解2019冠状病毒疾病的病理生理学。除了治疗急性感染外，还迫切需要更好地了解和开发 PASC 患者的治疗方法。另一个威胁是在社交媒体上流传的关于大流行、疫苗和治疗努力的错误信息和错误理论的数量，其中一些不幸是由科学家引入的。现在比以往任何时候都更需要采取跨学科和综合办法开展科学合作，打击错误信息，以应对这些挑战和今后的其他挑战。

参考

Merad M, Blish CA, Sallusto F, Iwasaki A. The immunology and immunopathology of COVID-19. Science. 2022 Mar 11;375(6585):1122-1127. doi: 10.1126/science.abm8108IF: 63.714 Q1 . Epub 2022 Mar 10. PMID: 35271343