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SARS-CoV-2与COVID-19患者的抗体应答

作者:Emily A.Teslow博士,医学事务•2020年8月

免疫学概述

体液免疫反应

人体免疫系统由多种细胞分化途径组成,这些细胞分化途径在机体对外来抗原和微生物的应答中发挥着不同的功能。对外来病原体(如病毒或细菌)的初始反应通常会导致早期的先天免疫反应1. 这种反应的一部分是由带有特定模式识别受体的细胞介导的,这些受体检测病原体表面的外来抗原,由病原体释放,或通过病原体和宿主细胞的相互作用释放1. 如果先天性反应不能解决感染,则可启动适应性免疫反应,其中白细胞或淋巴细胞与能够结合和检测特定外来抗原的受体将经历克隆扩增和进一步成熟过程1. 这种反应的一个重要介质是通过称为B细胞的淋巴细胞发生的,B细胞在骨髓中成熟1. 在最初的先天免疫反应中,幼稚的B细胞会识别体内的外来抗原。随着额外的刺激,这激活了B细胞,以进一步刺激其分化为效应细胞类型,如浆细胞(图1)。浆细胞分泌Y形蛋白质,称为抗体,进入细胞外环境1. B细胞还可以进一步分化为记忆性B细胞,记忆性B细胞可以存活数十年,以便在再感染特定抗原时重复产生抗体介导的反应1. B细胞成熟、产生血浆和记忆B细胞以及分泌特异性抗体的过程是体液免疫反应的一部分1.

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图1。体液免疫反应。

在体液免疫应答过程中,浆细胞分泌抗体进入细胞外环境可能通过三种途径促进免疫。第一种是通过中和作用,通过中和作用,抗体将与外来病原体上的抗原结合,阻止其入侵或附着于宿主细胞,从而阻止进一步感染1. 另一种方法是通过一种被称为调理的过程,在这个过程中抗体附着在外来病原体上并诱导吞噬或被先天免疫细胞吞噬。这会导致病原体的降解,从而将其从体内清除1. 最后,抗体可能附着在病原体上并激活补体系统,这是一种非常早期的先天免疫途径,有助于病原体的降解1.

抗体多样性

所有抗体介导的免疫反应都依赖于抗体结合特定抗原识别外来病原体的能力。然而,并非所有抗体都是相同的。抗体,也称为免疫球蛋白(Ig),分为5种不同的Ig类别:IgM、IgD、IgG、IgA和IgE(图2)2.

每种类型的免疫球蛋白分子都由恒定区域和抗原结合位点组成。抗原结合位点是高度可变的区域,位于Y形抗体分子两臂的顶部。人类基因组编码数百万个抗原结合位点。组成分子其余部分的恒定区域产生不同的抗体类别并提供不同的效应器功能。它们吸引和刺激不同类型的免疫细胞,其中一些可以激活补体系统1.

IgG和IgM是人血清中最丰富的抗体,分别占血清Ig的75-85%和5-10%. 分泌型IgM抗体是具有10个抗原结合位点的大五聚体分子,通常对靶抗原的亲和力较低1. IgM抗体在适应性免疫反应的早期产生,在激活先天性免疫反应方面发挥着重要作用. IgG、IgE和IgD抗体是具有两个抗原结合位点的单体。IgA抗体在血液中以单体形式存在,在粘膜间隙中以二聚体形式存在。

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图2。免疫球蛋白亚类及其结构。

在一个幼稚的B细胞经历抗原之前,它会表达细胞表面受体形式的IgM和IgD。每个B细胞产生一个IgM样受体,只有一种抗原结合位点。如果B细胞受体与抗原结合,它会触发特定类型B细胞的增殖并分化为分泌IgM抗体的浆细胞。在B细胞增殖过程中,酶的作用导致编码抗体的基因的特定区域发生体细胞突变。其中一些突变会增加B细胞受体对抗原的亲和力。表达亲和力增强的受体的细胞会被刺激增殖,而亲和力低的受体则会因凋亡而死亡。结果,不同的B细胞群表达对抗原具有不同亲和力的受体。这个过程被称为克隆扩增。

在克隆扩增过程中,一个称为类转换的过程也可能产生不同的Ig亚类,之后进一步的突变将继续增加抗体对其抗原的亲和力1. 因此,IgG对抗原的亲和力通常高于与其相关的IgM,即使它们对该抗原具有相同的特异性1.

血清转化和血清学数据

在疾病的急性期后,免疫系统产生并循环抗体,特别是IgM。这被称为血清转化,它表明疾病的恢复或恢复阶段已经开始。一旦发生血清转化,可以通过抗体检测或血清学分析在血液中检测到抗体。从抗体亚类和滴度获得的血清学数据提供了感染史,可用于确定感染的性质、监测基于人群的疾病流行、评估疾病阶段、指导疫苗开发和确定诸如病毒之类的传染源1,3. 此外,血清学数据可用于更好地了解抗体介导反应的时间过程,以扩展生物学知识。这可以通过使用血清学分析测定不同抗原和免疫球蛋白等级的特异性抗体滴度来评估. 例如,在典型的免疫应答中,IgM通常在最初感染后的3-14天内被检测到. IgG、IgA或IgE的生产可能会在随后的类别转换事件中开始. IgG和IgM浓度最终将达到峰值,然后缓慢下降或趋于稳定,时间范围可能与病原体和疾病负担有关. 这些试验也可以与其他试验相结合,证明抗体能够中和病毒. 对传染病病原体的反应可能不同,因此了解新出现病原体的免疫反应对于确定血清学检测的价值和应用至关重要。

COVID-19与SARS-CoV-2的免疫应答

SARS-CoV-2血清学检测

严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2),原名nCoV4是引起COVID-19的新型传染病病原体。用于检测血液中抗体的SARS-CoV-2血清学分析(例如:血清或血浆)5,可用于识别已产生免疫反应但可能无症状、PCR检测呈阴性结果、产生低病毒载量或在病程后期出现的接触者。当无法进行呼吸取样时,它们也可能有用6. 然而,SARS-CoV-2血清学检测目前不推荐用于诊断或测量美国(U.S.)6. 根据美国食品和药物管理局(FDA)的规定,血清学检测只能由熟悉其用途和局限性的医生进行6.

血清学检测在COVID-19疾病中的应用正在积极研究中。SARS-CoV-2血清学(抗体)检测的其他潜在应用领域包括生成血清学数据,以便研究人员研究疾病的时间进程,支持疫苗开发策略,评估人群中暴露个体的数量7,协助医学界了解对SARS-CoV-2的适应性免疫反应,或确定合格的恢复期血浆捐赠者作为危重病COVID-19患者可能的治疗策略6,8.

SARS-CoV-2在美国人群中的感染率目前尚不清楚9. 检测不同病毒蛋白抗体存在的血清学分析可能有助于评估COVID-19疾病的流行情况,并确定一个人以前是否被感染过,但可能不能表明一个人是否已产生免疫力9.

目前,许多血清学试验已被FDA批准为SARS-CoV-2抗体检测的紧急使用授权(EUA),这些试验因其性能特点而异9他们所采用的检测抗体的技术方法,以及他们能够在血液中检测不同SARS-CoV-2抗原的抗体种类5,10. 例如,一些血清学检测可能只检测IgG,而其他检测IgG和IgM,或所有抗体类别。它们还可以检测不同的SARS-CoV-2病毒抗原5,10. 一些试验表明,IgG和IgM联合测量具有更高的灵敏度11-16最近的荟萃分析表明,使用抗原对病毒刺突(S)和核衣壳(N)蛋白也可能增加血清学检测的敏感性13. 随着全世界对SARS-CoV-2免疫应答的新信息不断获得,这些检测对COVID-19疾病的完全效用还有待确定。

有关COVID-19抗体检测的更多信息,请访问Promega的博客特异性敏感物质:COVID-19抗体检测的问题.

SARS-CoV-2抗体介导的免疫应答

我们对SARS-CoV-2抗体介导的免疫应答的了解来源于最近的一些研究,这些研究收集了来自COVID-19患者的血清学数据,使用了实验性和商用的血清学分析。这些分析中的大多数目前还没有获得美国FDA的紧急使用授权。这些研究表明,发病2周后,产生的抗SARS-CoV-2s和N蛋白的IgM-IgG抗体的平均血清转化率在90-100%之间14-19. (有关SARS-CoV-2病毒结构和蛋白质的更多信息,请访问SARS-CoV-2pcr与血清学检测)血清学数据可使用几种不同类型的分析技术和格式生成,包括抗体介导的捕获分析,如酶联免疫吸附分析(ELISA)16,20-23以及抗原介导的捕获方法,如化学发光免疫分析(CLIA)11,19,24-26、免疫荧光分析18横向流动分析27,荧光素酶免疫沉淀分析(LIPS)28生物发光免疫分析. 利用这些血清学检测方法,研究了COVID-19患者体液免疫应答的证据,并初步描述了血清中抗SARS-CoV-2抗体的特征。图3所示为COVID-19患者中估计抗体反应的图示。尽管许多研究通过初步的血清学数据提供了见解,问题仍然是抗体介导的反应是否有助于清除病毒感染,以及如何通过抗体清除可能发生的各种病毒中和免疫反应。

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图3。COVID-19患者在症状出现6周后产生的估计抗体滴度(IgG、IgA和IgM)的图示(插图改编自Lee等人37).

对于具有不同疾病负担的COVID-19患者中抗体应答的程度和持续时间以及诸如共病、年龄和遗传背景等因素如何影响免疫应答的理解仍然有限;然而,越来越多的证据表明,总抗SARS-CoV-2抗体的更高水平(滴度)可能与免疫应答有关症状出现2周后发现的疾病负担更高18,19,23-25. 例如,曲. 结果表明,中国危重病患者产生的抗S和N蛋白的IgM和IgG抗体滴度较高,并在动力学上观察到,COVID-19危重病患者与轻中度疾病患者的IgM水平在病程后期达到峰值24.

同样,赵. 重症COVID-19患者的IgM和IgG滴度较高23. 然而,血清抗体的增加与这些危重病人鼻咽样本中病毒RNA的减少并不一致23. 此外,本病例的疾病负担与产生于S蛋白的SARS-CoV-2 IgM抗体或产生于N蛋白的IgG抗体水平无关23,表明只有某些抗体可能与疾病负担有关。相比之下,长. 未发现IgG抗体产生与中国患者临床特征之间存在关联18,和沃尔费尔. 证明在德国的一小群COVID-19患者中,血清中和抗体的产生可能与临床病程没有很好的相关性25. 这一结果与Ni的结果相矛盾. 世卫组织发现,最近从医院出院的COVID-19患者产生了大量针对S蛋白受体结合域(RBD)的病毒中和抗体,该蛋白与病毒靶向淋巴细胞的产生有关12. 同样,一项体外研究表明,抗SARS-CoV-2s蛋白的抗体可以抑制进入细胞29,以及其他一些研究已经观察到,COVID-19患者产生了针对SARS-CoV-2s蛋白RBD结构域的中和抗体30-35. 最后,严重急性感染的COVID-19患者血浆中的促炎细胞因子浓度较高,这导致了疾病相关的死亡率32. 然而,这种属性如何影响抗体反应的有效性目前尚不清楚。总的来说,体液免疫应答与COVID-19疾病之间的关系尚不清楚,因此,哪些抗原和抗体类别可能与更强大的免疫应答相关,应答如何发生,以及应答是否一致,有待通过进一步的研究来阐明COVID-19患者疾病完全恢复。

随着SARS-CoV-2抗体血清学检测技术的不断发展,全世界可能对新出现的疾病COVID-19有了更好的了解。这类信息既有助于医学界在监测病人反应的过程中发挥作用,也有助于通过研究扩大我们对新型SARS-CoV-2病毒的自然反应的认识,以便我们能够发现在人群中控制疾病的新方法。

致谢:本文草稿由Kara Chamberlain博士和Annette Burkhouse博士编辑。

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