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SARS-CoV-2与COVID-19患者的抗体反应

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

人体免疫系统由不同的细胞分化途径组成,它们对体内外源抗原和微生物的存在起着不同的反应作用。对外来病原体(如病毒或细菌)的最初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,这种受体检测病原体表面的外源抗原,由病原体释放,或通过病原体与宿主细胞的相互作用释放1.如果先天反应不能解决感染,适应性免疫反应可能会启动,白细胞或淋巴细胞的受体能够结合和检测特定的外来抗原,将经历克隆扩增和进一步的成熟过程1.这种反应的一个重要媒介是通过一种叫做b细胞的淋巴细胞发生的,b细胞在骨髓中特别成熟1.在原发性先天免疫反应中,naïve b细胞会识别体内的外来抗原。伴随着额外的刺激,这激活了b细胞,以进一步刺激它们分化为效应细胞类型,如浆细胞(图1)。浆细胞分泌y型蛋白质,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b细胞,它可以存活几十年,以便在再次感染特定抗原时重复产生抗体介导的反应1.b细胞的成熟、血浆和记忆b细胞的产生以及特定抗体的分泌是体液免疫反应的一部分1

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图1。体液免疫反应。

在体液免疫反应中,浆细胞向细胞外环境分泌抗体可能通过三种方式促进免疫。第一种方法是中和,通过中和,抗体将与外来病原体上的抗原结合,阻止其入侵或附着在宿主细胞上,从而阻止进一步感染1.另一种方法是通过一种叫做调理作用的过程,即抗体附着在外来病原体上,诱导先天免疫细胞吞噬或吞噬。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,帮助病原体降解1

抗体的多样性

所有抗体介导的免疫反应都依赖于抗体结合特定抗原以识别外来病原体的能力。然而,并非所有的抗体都是一样的。抗体又称免疫球蛋白(Ig),分为5种不同的Ig类:IgM、IgD、IgG、IgA和IgE(图2)2

每种类型的免疫球蛋白分子都是由固定区域和抗原结合位点的组合组成的。抗原结合位点是高度可变的区域,位于y型抗体分子的两个臂的顶部。人类基因组编码数百万个抗原结合位点。构成分子其余部分的常数区产生不同的抗体类别,并提供不同的效应函数。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是人血清中含量最多的两类抗体,分别占血清中所有Ig的75-85%和5-10%3..分泌的IgM抗体是具有10个抗原结合位点的大型五聚体分子,通常对目标抗原的亲和力较低1.IgM抗体在适应性免疫反应早期产生,在激活先天免疫反应方面发挥着重要作用3..IgG、IgE和IgD抗体是具有两个抗原结合位点的单体。IgA抗体可在血液中作为单体或在粘膜间隙中作为二聚体发现。

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图2。免疫球蛋白的亚类及其结构。

在naïve b细胞遇到抗原之前,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,只有单一类型的抗原结合位点。如果b细胞受体与抗原结合,就会引发这种特定类型的b细胞增殖,并分化为分泌IgM抗体的浆细胞。在b细胞增殖过程中,酶促过程导致抗体编码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。表达亲和力较高受体的细胞会被刺激增殖,而表达亲和力较低受体的细胞则会因凋亡而死亡。结果,会产生表达对抗原具有不同亲和力的受体的不同b细胞群。这个过程称为克隆扩展。

在克隆扩增过程中,也可能发生一个被称为类切换的过程,产生不同的Ig亚类,在此之后,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通常会比其相关的IgM对抗原表现出更高的亲和力,即使它们可能对该抗原具有相同的特异性1

血清转换和血清学数据

在疾病急性期之后,免疫系统产生并循环抗体,特别是IgM。这被称为血清转换,它表明疾病的恢复或恢复期已经开始。一旦发生血清转换,抗体可以通过抗体测试或血清学分析在血液中检测到。从抗体亚类和滴度得到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率、评估疾病阶段、指导疫苗开发和确定病毒等传染病原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测定不同抗原和Ig类特异性抗体的滴度来评估3..例如,在典型的免疫反应中,IgM通常在初次感染后的前3-14天被检测到3..IgG、IgA或IgE的产生可能在稍后开始,随后发生类切换事件3..在特定的病原体和疾病负担的时间范围内,IgG和IgM浓度最终将达到峰值,然后缓慢下降或稳定3..这些检测也可以与其他检测相结合,以证明抗体具有中和病毒的能力3..对传染病病原体的反应可能不同,因此了解对新的和新出现的病原体的免疫反应对于确定血清学检测的价值和应用是至关重要的。

COVID-19和对SARS-CoV-2的免疫反应

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),以前被称为2019-nCoV4是导致COVID-19的新型传染病病原体。用于检测血液(如血清或血浆)中抗体的SARS-CoV-2血清学检测5,可用于识别已产生免疫反应但可能无症状、PCR检测结果为阴性、病毒载量低或在病程后期出现的受染者。当无法进行呼吸采样时,它们也可能有用6.然而,在美国,目前不建议用SARS-CoV-2血清学检测方法来诊断或测量活动性感染。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

积极研究新型冠状病毒病血清学检测的应用。SARS-CoV-2血清学(抗体)检测的其他潜在用途包括生成血清学数据,以便研究人员研究疾病的时间过程,支持疫苗开发战略3.,评估一个群体中受感染个体的数量7帮助医学界了解对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COVID-19危重患者的可能治疗策略6、8

目前尚不清楚美国人群中SARS-CoV-2感染的流行程度9.血清学检测检测到不同病毒蛋白抗体的存在,可能有助于评估COVID-19疾病的流行程度,并确定一个人以前是否感染过,但可能无法表明一个人是否已形成免疫力9

目前,FDA已授予许多用于检测SARS-CoV-2抗体的血清学测试的紧急使用授权(EUA),根据其性能特点而有所不同9他们用于检测抗体的技术方法,以及他们能够在血液中检测不同的SARS-CoV-2抗原的抗体类别5、10.例如,一些血清学检测可能只检测到IgG,而另一些则同时检测到IgG和IgM,或所有抗体类别。它们还可能检测到不同的SARS-CoV-2病毒抗原5、10.一些试验对IgG和IgM联合测量显示出更高的敏感性16最近的荟萃分析表明,使用抗原对病毒尖刺(S)和核衣壳(N)蛋白也可能增加血清学检测的敏感性13.随着世界继续获得关于SARS-CoV-2免疫反应的新信息,这些检测方法对COVID-19疾病的完全效用尚未确定。

有关COVID-19抗体检测的更多信息,请访问Promega的博客一个特殊和敏感的问题:COVID-19抗体测试的麻烦

SARS-CoV-2抗体介导免疫反应

我们对SARS-CoV-2抗体介导的免疫反应的了解来自最近的少量研究,这些研究使用实验和商业上可获得的血清学分析方法收集了COVID-19患者的血清学数据。这些检测方法中的大多数目前都没有获得美国FDA的紧急使用授权。从这些研究中已经证明,在发病2周后,针对SARS-CoV-2 S和N蛋白产生的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-2 PCR和血清学检测)。血清学数据可以使用几种不同类型的检测技术和格式生成,包括抗体介导的捕获分析,如酶联免疫吸附分析(ELISA)。16,20,以及抗原介导的捕获方法,如化学发光免疫测定法(CLIA)11,19日,24 - 26日,免疫荧光检测18,横向流动分析27,荧光素酶免疫沉淀试验(LIPS)28和生物荧光免疫测定。利用这些类型的血清学分析,研究了COVID-19患者体液免疫反应的证据,并初步描述了血清中抗sars - cov -2抗体的谱。图3显示了COVID-19患者的抗体反应估计数。尽管许多研究通过初步的血清学数据提供了见解,但问题仍然是抗体介导的反应是否有助于清除病毒感染,以及通过抗体的清除如何通过各种病毒中和免疫反应发生。

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

对于具有不同疾病负担的COVID-19患者抗体应答的大小和持续时间,以及共病、年龄和遗传背景等因素如何影响免疫应答,我们的认识仍然有限;然而,越来越多的证据表明,在出现症状后2周检测到的高水平(滴度)抗sars - cov -2抗体可能与较高的疾病负担相关18日,19日,第23 - 25.例如,曲.研究表明,中国危重患者产生的抗S和N蛋白IgM和IgG抗体滴度更高,动力学观察到,与轻、中度疾病患者相比,COVID-19危重患者的IgM水平在病程中较晚达到峰值24

同样,赵.在COVID-19危重患者中观察到较高的IgM和IgG滴度23.然而,在这些危重患者的鼻咽样本中,血清抗体的增加与病毒rna的减少并不一致23.此外,本例中的疾病负担与针对S蛋白产生的SARS-CoV-2 IgM抗体或针对N蛋白产生的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.发现在中国,IgG抗体的产生和患者的临床属性之间没有关联18,和Wӧlfel.证明在德国的一小批COVID-19患者中,血清中和抗体的产生可能与临床病程不太相关25.这个结果和Ni的结果不一致.谁发现最近出院的COVID-19患者产生了大量针对S蛋白受体结合域(RBD)的病毒中和抗体滴度,该抗体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,针对SARS-CoV-2 S蛋白的抗体可以抑制进入细胞29其他一些研究观察到,COVID-19患者产生了对SARS-CoV-2 S蛋白RBD结构域的中和抗体实现了.最后,严重急性感染的COVID-19患者出现了较高的促炎细胞因子血浆浓度,这有助于疾病相关死亡率32.然而,这一属性可能影响抗体反应有效性的方式目前尚不清楚。总的来说,体液免疫反应和COVID-19疾病之间的关系尚不清楚,因此,还需要通过进一步的研究来阐明哪些抗原和抗体类别可能与更强大的免疫反应有关,这种反应是如何发生的,以及这种反应是否与COVID-19患者的完全康复相一致。

随着用于检测SARS-CoV-2抗体的血清学技术的不断发展,世界可能会对新出现的疾病COVID-19有更好的了解。这类信息既有利于医学界在过渡时期监测患者反应,也有助于通过研究扩大我们对人体对新型SARS-CoV-2病毒的自然反应的认识,从而可能发现在人群中控制疾病的新方法。

应答:本文的草稿由卡拉·张伯伦博士和安妮特·伯克豪斯博士编辑。

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