新冠周年总结特刊(一) | SARS-CoV-2的ADE(抗体依赖性增强)研究进展及炎症机制

2021-01-23 23:06:27, 唐小糖



撰文 | 唐小糖

责编 | 兮

 

COVID-19已不可避免地改变了人们的生活方式,甚至各省市在中国传统春节期间也鼓励人们“尽量不返乡”和“就地过年”。距离这种新兴病原体—新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的发现已一年有余,我们对COVID-19又增添了多少了解呢?笔者在此总结了关于SARS-CoV-2此前广受关注的抗体依赖性增强(ADE)、以及重症COVID-19炎症机制的研究进展。

 

ADE的研究进展

 

目前,已有多项研究发现在体外能导致ADE的SARS-CoV-2抗体,早在去年7月,武汉病毒所和迈威生物公司在bioRxiv公布的研究(后发表Nature Communications)结果表明,SARS-CoV-2的单克隆抗体MW05和MW07可以在体外通过Fc介导增强SARS-CoV-2假病毒对表达FcγRIIB的白细胞系(Raji、THP-1和K562 )感染(在Fc端引入LALA 突变即可消除ADE效应),这项研究首次提供了某些SARS-CoV-2单克隆抗体在体外具有ADE效应的证据【1】; 

 

复旦大学和西湖大学等团队同样发现了有些受体结合域(RBD)特异性的单克隆抗体(如7F3和XG014)可以在体外通过FcγRII进入Raji细胞等白细胞系以及原代B细胞,进而增强感染作用,但这些抗体仍然能够中和SARS-CoV-2病毒【2-3】

 

除了RBD抗体外,大阪大学发现一些N端域(NTD)特异性的抗体在体外也具有ADE效应,但机制与RBD抗体不同,NTD特异性的ADE抗体不依赖于Fc-FcγR,而是可能通过影响NTD-RBD相互作用,增加了RBD的“open”构象,进而有利于S蛋白与ACE2结合【4】

 

但以上研究仅限于体外,直到2021年1月,杜克大学才在bioRxiv上公布了ADE抗体的体内研究结果【5】,研究人员将体外具有ADE作用的抗体打进小鼠和猴子体内,发现基本不发生感染增强作用,这项研究证实了体外结果不能代表体内和对临床结果的影响。本研究也和前面几项研究共同表明,SARS-CoV-2的ADE抗体有至少两种机制:RBD特异性的ADE抗体依赖于Fc-FcγRII;NTD特异性的ADE抗体则不依赖Fc,而是通过改变S蛋白构象进而影响S蛋白与受体ACE2的结合。

 

重要的是,无论RBD特异性的ADE抗体(DH1041)和NTD特异性的ADE抗体(DH1052),在小鼠和猴子中未表现出明显的影响如病毒载量提升、炎症等,相反均展示出了一定的保护效果,表明体外的ADE结果不能代表体内综合的临床结果。研究人员认为SARS-CoV-2在体内虽然可能通过Fc介导的ADE抗体进入巨噬细胞,但可能不能在巨噬细胞中有效复制,另外Fc介导的效应器功能可能也发挥了一定的保护作用,具体机制尚不明确。


重症COVID-19的炎症机制

 

去年4月份,陆军军医大学发表在Cell Research的研究论文对死亡的COVID-19患者进行解剖,通过免疫荧光染色在肺部的巨噬细胞中检测到了SARS-CoV-2【6】;陆军军医大学的另一团队公布在medRxiv上、对死亡COVID-19患者解剖的结果显示,在脾脏的CD68+CD169+巨噬细胞中也检测到了SARS-CoV-2的存在【7】。SARS-CoV-2对巨噬细胞的感染会导致什么后果?

 

2021年1月11日,西北大学在Nature上发表了一篇研究论文【8】,通过流式检测、RNA测序以及单细胞RNA测序,在67%的COVID-19患者样本的肺泡巨噬细胞中检测到了SARS-CoV-2转录本,并在40%的COVID-19患者中能持续检测到,该结果表明肺泡巨噬细胞可能作为特洛伊木马藏匿在肺部各个区域安营扎寨,这也与重症SARS-CoV-2患者的肺炎从出现症状到发展为呼吸衰竭的时间较长(6到12天,流感感染一般则是1到3天或更短)、机械通气的过程较长一致;另外可能也是SARS-CoV-2阳性患者多次检测结果为阴性的原因之一。

 

本研究还提出了重症COVID-19患者的炎症机制模型,即SARS-CoV-2感染的肺泡巨噬细胞与分泌IFN-γ的T细胞形成正反馈回路,共同导致了重症COVID-19患者的肺部炎症。

 

SARS-CoV-2最初感染和复制在鼻咽部的ACE2表达量相对较高的上皮细胞,其中一些病毒会通过气管向支气管树远端逐渐移动或通过吸食鼻咽内容物,得以进入远端肺泡,在此,SARS-CoV-2可感染肺泡上皮细胞和组织驻留肺泡巨噬细胞(TRAM)。而后激活相关转录程序,释放相关趋化因子,招募T细胞至肺泡中,随后T细胞被激活,释放IFN-γ等细胞因子,再次激活被感染的TRAM,使之大量产生炎症因子。最终,这些TRAM死亡,单核细胞衍生的肺泡巨噬细胞(MoAM)被招募,继续感染SARS-CoV-2,维持与T细胞的炎症信号正反馈循环。在这一过程中,这些被感染的肺泡巨噬细胞可能作为木马,将病毒转移到相邻的肺区,并缓慢地在肺部传播SARS-CoV-2。

 

同日,美国国家过敏与传染病研究所发表在Science Translational Medicine上的文章,利用非洲绿猴模型,阐述了TRAM和MoAM在SARS-CoV-2感染过程中的角色转换,同样认为SARS-CoV-2感染过程中,肺泡巨噬细胞主要负责推动炎症反应【9】

 

巨噬细胞被过度激活也与IgG的Fc端糖基化修饰有关,阿姆斯特丹大学发表的Science文章通过对重症COVID-19患者的研究发现,一些SARS-CoV-2特异性的、去岩藻糖化(Afucosylated)的IgG抗体比例较高,去岩藻糖化的IgG与巨噬细胞的FcγRIII的亲和力升高,诱导巨噬细胞过度激活,促进IL-1β、IL-6和TNF等炎症因子的分泌,进而放大了潜在的炎症因子风暴,损坏肺内皮细胞屏障的完整性因此引发微血管血栓,使得患者更容易转重症【10-11】

 

斯坦福大学发表在Nature Immunology上的文章也得出了同样的结论,对重症COVID-19患者的IgG检测发现,IgG1的Fc端去岩藻糖修饰增强了抗体与FcγRIIIa的相互作用,免疫复合物会使单核细胞超激活,大量产生IL-6、TNF和IL-1β等炎症因子,更易使COVID-19患者转化为重症,并且重症患者中男性IgG的去岩藻糖修饰程度高于女性【12】

 

此外,Wistar研究所的研究还发现,重症COVID-19患者的抗体能引起较高水平的抗体依赖的补体沉积(ADCD),高水平的ADCD可能与COVID-19的炎症升高有关【13】

 

重症COVID-19的另一个可能的机制可能和自身反应性抗体有关,此前巴黎大学和洛克菲勒大学等多单位合作,在Science上的背靠背文章分析了987名重症COVID-19患者的外周血,发现其中至少有101例患者(10.2%)在疾病严重时有针对IFN-ω(13例)、13种IFN-α(36例)或两者(52例)的自身IgG抗体,少数还有针对其他3种IFN-I的抗体。这些抗体拥有可以中和IFNs在体外阻断SARS-CoV-2感染的能力;相比之下在663名无症状或轻症COVID-19患者中则没有发现这些自身抗体。这项研究表明这些IFN的自身抗体可能至少和2.6%的女性以及12.5%的男性发生重症COVID-19有关【14】;进一步,他们又对659名重症患者和534名轻症或无症状患者的样本进行测序,发现重症患者有13条在流感病毒中已知的TLR3和IRF7依赖的IFN-I相关基因座位出现了功能缺失(LOF)的罕见变异富集,详细检测后,确定了有23名患者(3.5%)出现了LOF变异。TLR3和IRF7依赖的IFN-I免疫是先天免疫的重要组成部分,该通路的突变可能会对SARS-CoV-2感染产生影响【15】

 

耶鲁大学对194个COVID-19患者的2770种外泌体(exoproteome,胞外和分泌蛋白)进行分析和鉴定,发现很多COVID-19患者都具有针对自身多种抗原(包括趋化因子、细胞因子、表面蛋白等免疫相关因子)的自身反应性抗体,并且疾病越严重,自身抗体越多,重症病人的自身抗IFN-I通路的抗体尤其多,这些抗体与一些体内的病毒学和免疫学结果(如病毒载量、抗体滴度、免疫细胞数量等)显著相关,进一步在小鼠模型中进行检测,发现自身反应性抗体会改变外周免疫细胞组成、抑制抗病毒的免疫调节通路,导致感染症状加重,死亡率也升高。研究人员也在COVID-19患者体内发现靶向组织相关抗原的自身抗体与与组织损伤、临床症状以及比病的严重程度显著相关【16】

 

另外,两项全基因组关联研究(GWAS)也发现了一些可能与重症COVID-19相关的基因座位,包括chr3p21.31(编码CXCR6、CCR9、SIT1、LZTFL1等)、chr9q34.2(与ABO血型相关)、chr12q24.13(编码OAS1、OAS2、OAS3)、chr19p13.2(编码TYK2附近)、chr19p13.3(编码DPP9内)、chr21q22.1(编码IFNAR2)【17,18】

 


参考文献




1. Wang S., et al. Characterization of neutralizing antibody with prophylactic and therapeutic efficacy against SARS-CoV-2 in rhesus monkeys. Nat Commun. 2020 Nov 13;11(1):5752.
2. Wu F., et al. Antibody-dependent enhancement (ADE) of SARS-CoV-2 infection in recovered COVID-19 patients: studies based on cellular and structural biology analysis. medRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2020.10.08.20209114.
3. Zhou, Y., et al. Enhancement versus Neutralization by SARS-CoV-2 Antibodies from A Convalescent Donor Associates with Distinct Epitopes on the Receptor-Binding Domain, Cell Reports (2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108699.
4. Liu Y., et al. An infectivity-enhancing site on the SARS-CoV-2 spike protein is targeted by COVID-19 patient antibodies. bioRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2020.12.18.423358.
5. Li D., et al. The functions of SARS-CoV-2 neutralizing and infection-enhancing antibodies in vitro and in mice and nonhuman primates. bioRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2020.12.31.424729.
6. Yao XH., et al. Pathological evidence for residual SARS-CoV-2 in pulmonary tissues of a ready-for-discharge patient. Cell Res. 2020 Jun;30(6):541-543.
7. Feng Z., et al. The Novel Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Directly Decimates Human Spleens and Lymph Nodes. medRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.27.20045427
8. Grant RA., et al. Circuits between infected macrophages and T cells in SARS-CoV-2 pneumonia. Nature. 2021 Jan 11. doi: 10.1038/s41586-020-03148-w.
9. Speranza E., et al. Single-cell RNA sequencing reveals SARS-CoV-2 infection dynamics in lungs of African green monkeys. Sci Transl Med. 2021 Jan 11:eabe8146. doi: 10.1126/scitranslmed.abe8146.
10. Hoepel W., et al. Anti-SARS-CoV-2 IgG from severely ill COVID-19 patients promotes macrophage hyper-inflammatory responses. bioRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2020.07.13.190140
11. Larsen MD., et al. Afucosylated IgG characterizes enveloped viral responses and correlates with COVID-19 severity. Science. 2020 Dec 23:eabc8378.
12. Chakraborty S., et al. Proinflammatory IgG Fc structures in patients with severe COVID-19. Nat Immunol. 2021 Jan;22(1):67-73.
13. Adeniji OS., et al. COVID-19 Severity Is Associated with Differential Antibody Fc-mediated Innate Immune Functions. bioRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.11.426209
14. Bastard P., et al. Autoantibodies against type I IFNs in patients with life-threatening COVID-19. Science. 2020 Oct 23;370(6515):eabd4585.
15. Zhang Q., et al. Inborn errors of type I IFN immunity in patients with life-threatening COVID-19. Science. 2020 Oct 23;370(6515):eabd4570.
16. Wang EY., et al. Diverse Functional Autoantibodies in Patients with COVID-19. medRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2020.12.10.20247205
17. Ellinghaus D., et al. Genomewide Association Study of Severe Covid-19 with Respiratory Failure. N Engl J Med. 2020 Oct 15;383(16):1522-1534.
18. Pairo-Castineira E., et al. Genetic mechanisms of critical illness in Covid-19. Nature. 2020 Dec 11. doi: 10.1038/s41586-020-03065-y.

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