COVID-19免疫学研究现状分析

Analysis of the Current Status of COVID-19 Immunology Studies

摘要: 新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是由SARS-CoV-2引起的一种疾病，能够导致人类轻度至重度感染，严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型感染具有广泛的临床表现，从无症状到有症状，包括呼吸道症状、发烧、呼吸急促、咳嗽、呼吸困难和病毒性肺炎，在严重病例中，还包括肺炎、严重急性呼吸系统综合征、心力衰竭、肾衰竭，甚至死亡。然而，与新冠肺炎相关的主要死亡原因是呼吸衰竭，其次是感染性休克、肾衰竭、出血和心力衰竭。为了遏制这一流行病，使用快速技术进行正确诊断起着至关重要的作用。近年来，COVID-19血清学及免疫学变化的研究受到了广泛关注。

Abstract: COVID-19 is a disease caused by SARS-CoV-2, can cause mild to severe infection in humans, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 infection with a wide range of clinical manifestations, from asymptomatic to symptomatic, including respiratory symptoms, fever, shortness of breath, cough, dyspnea and viral pneumonia, in severe cases, including pneumonia, severe acute respiratory syndrome, heart failure, kidney failure, and even death. However, the leading cause of death associated with COVID-19 was respiratory failure, followed by septic shock, renal failure, bleeding, and heart failure. To contain this epidemic, correct diagnosis using rapid techniques plays a vital role. Recently, the serological and immunological changes of COVID-19 have received much attention.

1. 引言

冠状病毒是具有线性正链RNA基因组的大型包膜病毒这是人类呼吸道感染的主要原因。肺炎和急性呼吸窘迫综合征是新型冠状病毒肺炎的主要并发症。SARS-CoV-2感染可激活先天性和适应性免疫反应，并在疾病后期导致大量炎症反应[1]。这些不受控制的炎症反应可能导致局部和全身组织损伤。在严重冠状病毒肺炎患者中，嗜酸性粒细胞减少和淋巴细胞减少以及CD4和CD8 T细胞、B细胞和自然杀伤(NK)细胞的频率严重降低是一个常见特征。COVID-19的严重程度取决于以血清促炎细胞因子水平升高为特征的细胞因子风暴的发展。此外，抗SARS-CoV-2的IgG-、IgM-和IgA-特异性抗体可以在大多数患者中检测到，COVID-19的快速诊断对于遏制病毒传播和启动适当治疗至关重要。现就COVID-19一些相关血清学及免疫学指标的改变进行探究。

2. 免疫球蛋白

IgA由两条重链和两条轻链组成，每条重链都有一个可变区和恒定区。可变区是IgA识别并结合抗原的部分，而恒定区则负责与效应器细胞(如巨噬细胞、中性粒细胞等)结合，从而引发免疫反应，通过其Fc段与黏膜表面的受体结合，形成免疫屏障，阻止病原体通过黏膜侵入人体。IgA在黏膜表面含量最高，但也存在于血清中，在COVID-19患者症状出现的第一周内出现，之后滴度会迅速衰减[2]。在有症状的新冠肺炎患者中，IgA抗体检测的中位持续时间约为5天[3]。

IgG是血液中含量最高的免疫球蛋白之一，其呈现出一种Y型结构，含有四条肽链。在其分子的两端，各有一个抗原结合片段(Fab)，负责与抗原结合；而在中间部分，则有一个可结晶片段(Fc)，负责与效应细胞(如巨噬细胞、自然杀伤细胞等)结合，从而发挥免疫作用。IgG可提供更持久的免疫力在COVID-19患者症状出现后约7~14日，大多数患者可检测到SARS-CoV-2抗严重急性呼吸综合征冠状病毒2的IgG [2]。在有症状的新冠肺炎患者中，IgG检测时间为14天。在COVID-19聚合酶链反应(PCR)确诊的个体中，IgG滴度在诊断后至少可保持稳定4~6个月，IgG抗体表明以前接触过SARS-CoV-2病毒感染[3]。

IgM在五中免疫球蛋白中分子量最大，主要由脾脏和淋巴结中的浆细胞分泌合成。IgM在人体免疫系统中扮演着重要的角色，特别是在对抗初次感染的病原体时，它常常是最早出现的抗体[4]。COVID-19患者在症状出现后3~60天内可检测到IgM。在有症状的新冠肺炎患者中，IgM抗体检测的中位持续时间为5天[5]。IgM ELISA的检测效率高于RT-qPCR，IgM抗体的存在表明最近接触过病毒感染[3]。因此，免疫诊断分析对于支持新冠肺炎疫苗的开发也非常关键。这进一步有助于确定非活动感染人群的感染程度[5]。

3. 白细胞

白细胞通常也被称为免疫细胞，有细胞核能作变形运动。白细胞一般有活跃的移动能力，它们可以从血管内迁移到血管外，或从血管外组织迁移到血管内。因此，白细胞除存在于血液和淋巴中外，也广泛存在于血管、淋巴管以外的组织中。白细胞吞噬异物产生抗体，在机体损伤治愈、抗御病原的入侵和对疾病的免疫方面起着重要的作用。一项涉及41名重症患者的研究表明，重症监护病房(ICU)的入院和死亡率与中性粒细胞增多症和淋巴细胞减少症有关[6]。另一项研究报告了85名死于该病的患者中淋巴细胞减少症(77.6%)和血小板减少症(41.2%)的显著频率。严重SARS-CoV-2感染的一个特征是淋巴细胞减少，单核细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞的百分比降低[7]。严重病例的另一个特征是中性粒细胞计数和中性粒细胞与淋巴细胞的比值增加。具有这些特征的患者病情严重程度较高，临床预后较差[8]。

中性粒细胞数量和中性粒细胞淋巴细胞比率(NLR)的显著增加在轻度病例中并不令人惊讶。在大多数严重的新型冠状病毒肺炎病例中观察到显著的淋巴细胞减少，表明免疫系统受损[9]。因此，可以说，在新型冠状病毒肺炎中，中性粒细胞和白细胞以及淋巴细胞有助于增强CS (细胞因子风暴)。几项研究报告了19名住院新冠肺炎患者中的嗜酸性粒细胞减少症[10]。约82%的致命病例表现出明显的嗜酸性粒细胞减少。然而，早期疾病和轻度病例没有出现嗜酸性粒细胞减少[11]。此外，Lucas等人的一项研究单核细胞、低密度中性粒细胞和嗜酸性粒细胞的增加与疾病严重程度相关。研究还显示，在新型冠状病毒肺炎患者中也有类似的报告，证实嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞的增加与新型冠状肺炎的严重程度之间存在关系，这两种细胞在严重疾病期间都是最具活力的细胞群[12]，这表明它们对抗病毒防御和免疫病理学有重要贡献。

对冠状病毒肺炎19例患者支气管肺泡灌洗液(BALF)的scRNA-seq分析表明，在严重SARS-CoV-2患者中，单核吞噬细胞(MNPs)约占BALF细胞总数的80%，在轻度疾病中占60%，在健康对照组中占40%。该成分的进一步特征是炎症衍生巨噬细胞的可用性增加，而疾病严重程度增加的患者中组织驻留的肺泡巨噬细胞相对较少[13]。此外，SARS-CoV-2感染患者体内的巨噬细胞具有上调的基因，因此，巨噬细胞与组织修复和促进纤维化生成的基因(如肝硬化)相关[14]。这可能进一步解释了机械通气患者出现的纤维化并发症，也可能解释了浸润性巨噬细胞的破坏作用可能会扩散到急性炎症的进展之外[6]。

4. T淋巴细胞

细胞免疫是人体重要的防御系统，T淋巴细胞亚群是免疫细胞群的重要组成部分，也是检测细胞免疫功能的重要指标。约70%的外周血淋巴细胞是T细胞，并表达与分化(CD3)相关的T细胞受体(TcR)。两个主要的T细胞群体表达CD4或CD8分子。CD4 T细胞通常被认为是T辅助细胞群，因为它们的生产性增殖导致B细胞的活化和成熟，从而产生抗体来包含和中和细菌和寄生虫抗原。C8细胞协调对病毒和癌症抗原的细胞毒性反应。第三组T细胞抑制活化的CD4或CD8 T淋巴细胞的增殖反应，称为调节性T细胞(Tregs)。大多数Tregs表达CD4部分，尽管Tregs也可以是CD8 T细胞。所有Tregs都表达标记FoxP3。Treg细胞激活是抗原特异性的，这意味着Treg的抑制活性是抗原依赖性的。某些细胞因子(如IL-10)增强Tregs，从而抑制T细胞活化。

细胞免疫学的最新研究发现，在高度慢性病毒感染中，CD8 T细胞无法维持长期激活，并进入“衰竭”阶段。并不是所有抗原特异性都同样容易耗尽，这种不同的T细胞耗尽和T细胞反应沉默可以在宿主之间甚至在同一宿主内观察到。耗尽型T细胞(Tex)是表位特异性的，与无能性T细胞不同。高密度慢性病毒感染可能会，也可能不会，通过细胞凋亡导致特定Tex亚群的耗竭。Tex表达某些特定标记，包括CD279 (程序性细胞死亡标记-1，PD-1)和CD366 (T细胞免疫球蛋白和粘蛋白域-3，Tim-3)，并产生或被某些细胞因子调节，包括IL-10。Tex细胞的特征是效应器功能的逐渐丧失、抑制性受体的持续高表达、代谢失调、记忆力差和自我更新能力差，以及不同的转录和表观遗传程序。PD-1 (CD279)和Tim-3 (CD366)表达是T细胞耗竭的关键检查点，Tex的其他几个生物标志物也是如此。事实上，体外IL-10阻断或施用IL-2可以超越PD-1抑制信号传导，可以在实验环境中逆转T细胞耗竭。简而言之，Tex是异构的，包括具有独特特征和对检查点封锁的响应的祖细胞和终末子集[14] [15] [16] [17] [18]。

简而言之，迄今为止关于Tex的证据与Diao及其合作者报告的初步观察结果具有相当大的临床相关性。他们的数据表明，确诊COVID-19患者的循环CD4和CD8 T细胞中存在显著的T细胞减少。这些患者的血清IL-6、IL-10和TNF-α水平显著升高。进一步分析显示，随着患者从前驱症状恶化为需要重症监护的症状性COVID-19，PD-1 CD8和Tim-3 CD8亚群逐渐增加。综上所述，所报告的资料表明，确诊的COVID-19患者中出现了Tex。如果要复制这些发现，那么临床研究科学家应该制定COVID-19的诊断方案，包括CD8 CD279的流式细胞术评估，以及CD8 CD366亚群的良好测量。以CD8 CD279为主的患者低/中应加入强有力的免疫治疗方案，通过阻断PD-1/PD-1L通路和/或Tim3通路恢复CD8细胞毒性潜力。相比之下，姑息治疗只应提供给CD8 CD366患者高的，因为Tex可能会压倒他们的细胞免疫监测。目前尚不清楚两个确定的Tex亚群是否受到性腺激素的不同调节，也就是说，雌激素或睾酮是否会对中间期或晚期Tex产生不同的影响，或者根本不影响Tex。迄今为止的临床和流行病学观察表明，男性比女性更容易感染新冠肺炎。数据还显示，老年人比年轻患者群体更容易感染19型冠状病毒。所以，有可能是因为Tex加剧了免疫衰老。我们还认为，上述类型的AI算法将被发现与COVID-19相关[19]。这在这里特别重要，因为它可以在COVID-19患者的免疫病理诊断和定向免疫治疗干预中产生重要的临床益处。例如，专门的AI算法可以建立从免疫衰退和T细胞衰竭恢复T细胞稳态的方法和协议，这应该是开发新的和改进的免疫疗法的关键，尤其是COVID-19患者。例如，专门的AI算法可以建立从免疫衰退和T细胞衰竭恢复T细胞稳态的方法和协议，这应该是开发新的和改进的免疫疗法的关键[20]，尤其是COVID-19患者。

5. 炎性细胞因子

既往的一项研究显示，COVID-19患者血清中的炎性细胞因子水平(如IL-2、IL-7、IL-10和TNF-α)发生变化[21]。因此，我们进一步表征了患者队列血清中炎性细胞因子水平的动力学变化，包括IL-2、IL-4、IL-6、IL-10、IFN-γ和TNF-α。在轻度患者组中，这些细胞因子的血清水平波动很小。相比之下，重症患者组的血清中这些细胞因子的水平波动更为明显。除IL-6外，所有检查的细胞因子在发病后3~6天达到血清中的峰值水平。与轻度组相比，重症组的IL-6和IL-10水平均持续升高。重症组在发病后16天开始降低血清IL-6水平，发病后13天IL-10水平最低。重症组血清IL-2和IFN-γ水平显著升高仅在发病后4~6天。所有检查的细胞因子在发病后16天达到重症和轻度患者组的相似水平。在大多数时间点，我们观察到重症组的CRP水平高于轻度组，与轻度组相比，重度组的IL-6和IL-10水平均持续升高。重症组血清IFN-γ水平显著升高仅在发病后4~6天观察到。在整个病程中，两组之间没有观察到IL-2、IL4和TNF-α水平的显着差异。

在严重冠状病毒肺炎患者中，CD4频率严重降低的嗜酸性粒细胞减少和淋巴细胞减少CD4+ T细胞和CD8+ T细胞、B细胞和自然杀伤(NK)细胞是一个共同特征[9] [22]。几种机制可能有助于在COVID-19患者中观察到的淋巴细胞减少，包括细胞因子环境的影响。Diao等人和Wan等人显示了淋巴细胞减少与IL-6、IL-10和TNF-α之间的相关性，而在恢复期患者中观察到大量T细胞频率的恢复与整体较低的促炎细胞因子水平相关[23] [24]，IFN-I和TNF-α等细胞因子可通过促进淋巴器官滞留和内皮附着来抑制血液中T细胞的再循环[25] [26]。此外，病毒特异性IgM、IgG和IgA的几乎普遍检测以及感染后几天的中和IgG抗体(nAbs)也证明了强烈的体液免疫反应(B细胞反应)。几项研究[27] [28] [29]。已证明，在症状出现后7至14天内，19名冠状病毒患者发生了血清转化，病毒清除后的几周内抗体滴度持续存在。然而，由于疫情发生的时间，长期记忆反应尚未确定，但Thevaranjan等人[30]已证明CD38的诱导作用嗨和CD27嗨抗体分泌细胞(ASC)伴随着循环滤泡辅助T细胞(Tfh)的增加。郭等人的另一项研究[31]使用scRNA-seq对危重患者和近期康复患者的外周血单个核细胞(PBMC)进行的研究表明，浆细胞数量增加。此外，在冠肺炎19例患者中发现了RBD特异性记忆细胞(IgG) [32]。中性粒细胞增多和中性粒细胞/淋巴细胞比率增加通常伴有严重程度加重和临床预后不良[33]。大多数重症患者表现为“细胞因子风暴”(CS)，其特征是血清中存在较高的促炎细胞因子[9] [21]。此外，大多数患者都能检测到针对SARS-CoV-2的IgG-、IgM-和IgA-特异性抗体。阐明这些免疫病理变化可以为免疫治疗提供可能的靶点，对于咨询师选择最佳临床治疗方案至关重要[8]。

6. 小结与展望

虽然正在实施许多措施来减轻COVID-19的多因素影响，但该策略的一个关键组成部分是对当前或以前感染严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2 (SARS-CoV-2)的个体进行广泛检测和识别。提供有效护理和减轻感染取决于SARS-CoV-2诊断检测的性能和对结果的临床解释。缺乏对COVID-19感染的自然病程和免疫发病机制的全面了解，给诊断检测策略的实施带来了独特的挑战。SARS-CoV-2诊断检测具有固定的技术性能指标(例如，灵敏度和特异性)。临床敏感性不仅取决于技术性能，还取决于分析前变量和患者的疾病状态。解释变得具有挑战性，因为临床敏感性会随着病毒清除和免疫反应的出现而变化。免疫学检测有望作为一种基于血液的诊断辅助工具，作为病毒暴露的标志物，并可能作为保护性免疫的指标。为了在临床实践中有效利用这些可用的诊断测试，需要了解这些生物标志物在感染自然过程中彼此之间的关系。人体免疫功能动态监测是确定COVID-19患者疾病严重程度和预后的指标之一，有助于制定适当的治疗策略。