双价COVID-19疫苗加强针对抗体及T细胞免疫应答的动态影响研究

《Scientific Reports》：Dynamic impact of bivalent COVID-19 vaccine boosters on systemic and mucosal antibody and T cell immunity

本研究针对SARS-CoV-2变异株免疫逃逸问题，系统评估了双价（祖株/BA.1）mRNA疫苗加强针（第四剂）对医护人员系统性与黏膜免疫应答的动态影响。研究揭示该疫苗可显著提升针对奥密克戎等变异株的交叉中和抗体广度，但鼻黏膜IgG应答短暂，提示未来疫苗策略需加强黏膜免疫持久性。

　　

随着新冠病毒（SARS-CoV-2）的持续变异，尤其是奥密克戎（Omicron）谱系的出现，早期基于原始病毒株设计的疫苗效力出现显著下降，这引发了全球对更新版疫苗的迫切需求。病毒刺突（Spike）蛋白上的大量突变，使得奥密克戎变异株具有较强的免疫逃逸能力，导致即使接种过三剂疫苗的人群，其预防感染和重症的效果也受到挑战。为了应对这一难题，科研人员开发了双价mRNA疫苗，即同时包含原始病毒株和奥密克戎BA.1变异株的mRNA序列，旨在诱导更广谱的免疫反应。然而，这种新型疫苗在真实世界中的免疫效果如何？其诱导的抗体和T细胞反应能持续多久？与自然感染相比，其加强效果有何异同？这些问题对于制定未来的疫苗接种策略至关重要。

为了回答这些问题，由Barbara Kronsteiner和Susanna J. Dunachie等人领导的PITCH（Protective Immunity through T cells in Healthcare workers）研究联盟，在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。该研究依托一个前瞻性的英国医护人员（Healthcare workers, HCW）观察性队列，深入探究了在2022年秋季接种双价（祖株/BA.1）mRNA疫苗作为第四剂加强针后，参与者体内系统性和黏膜免疫反应的动态变化，并与未接种第四剂的对照组进行了比较，随访时间长达18个月。

本研究主要采用了多种免疫学关键技术来评估疫苗诱导的免疫反应。研究队列包括133名英国医护人员，他们在研究期间提供了血液和鼻腔上皮衬液（Nasal Epithelial Lining Fluid, NELF）样本。关键技术包括：1. 利用电化学发光（Meso Scale Discovery, MSD）技术检测血浆和鼻黏膜中针对SARS-CoV-2不同变异株刺突蛋白和核衣壳蛋白（Nucleocapsid, N）的特异性免疫球蛋白G（IgG）和免疫球蛋白A（IgA）抗体水平。2. 采用空斑减少中和试验（Focus Reduction Neutralisation Test, FRNT）来精确测量血清对原始株（Victoria）以及多种奥密克戎变异株（如BA.1, BA.2, XBB.1.5, BA.2.86）的中和能力。3. 通过酶联免疫斑点技术（Enzyme-Linked Immunospot Assay, ELISpot）检测外周血单核细胞（Peripheral Blood Mononuclear Cells, PBMCs）在受到病毒特异性肽段（如来自S、M、N蛋白的肽段）刺激后，产生干扰素-γ（Interferon-gamma, IFN-γ）的T细胞频率，以评估T细胞免疫反应。4. 使用流式细胞术（Flow Cytometry）分析抗原特异性CD4⁺和CD8⁺ T细胞的增殖情况。

轨迹性分析揭示双价疫苗对循环抗体和T细胞反应的影响

研究人员首先描绘了接种双价疫苗后，机体免疫反应的动态轨迹。结果显示，在接种第三剂疫苗（V3）后的12个月内，针对原始株和BA.1刺突蛋白的循环IgG抗体水平仅有轻微下降（约1.7倍）。而接种双价第四剂疫苗（V4）后，这些抗体水平得到了有效提升。具体而言，与接种V4前（V3后12个月）相比，针对原始株和BA.1的IgG水平分别提高了3倍和5.6倍。甚至在V4后6个月，抗体水平仍未出现显著下降，这可能与研究期间部分参与者发生突破性感染（Breakthrough Infection）有关。相比之下，T细胞介导的IFN-γ反应在接种V4后，无论是在群体水平还是个体水平上，均未观察到显著的加强效应，但其反应水平本身维持在一个稳定的状态，显示出高度的持久性。值得注意的是，针对原始株刺突蛋白的T细胞反应在V4后6个月时，相较于V4前有显著增加。

突破性感染对免疫反应的贡献

研究期间，奥密克戎变异株广泛传播，导致队列中突破性感染率很高。通过检测针对疫苗中不存在的病毒蛋白（如膜蛋白M和核衣壳蛋白N）的抗体和T细胞反应，研究人员发现，从V3后6个月开始，抗N蛋白IgG抗体和抗M+N蛋白的IFN-γ T细胞反应均显著上升，表明大量参与者经历了无症状或轻症的感染。这些自然感染事件对维持和塑造长期的免疫记忆起到了重要作用。数据分析表明，双价疫苗对循环抗S蛋白IgG抗体的提升作用，主要发生在那些没有近期感染证据的个体中；而对于近期已感染的个体，由于其基线水平较高，疫苗的加强效果相对有限。

双价疫苗提升抗体反应的广度和中和能力

一个关键的发现是，双价疫苗不仅提高了抗体的量，更拓宽了其广度。接种V4后1个月，血浆IgG抗体对多种关切变异株（Variant of Concern, VOC）的结合能力均显著增强，包括Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), Delta (B.1.617.2) 以及奥密克戎亚变体BA.2和BA.5。这种广谱反应的提升在V4后6个月依然明显，接种V4的个体其抗体水平显著高于未接种V4的对照组（在V3后18个月测量）。更重要的是，中和抗体检测结果证实了这种广谱性的提升。双价疫苗显著增强了对原始株（Victoria）和奥密克戎BA.1的中和活性，并且对当时新出现的XBB.1.5和后来出现的BA.2.86也产生了可观的中和效力（与V4前相比，分别提升了12倍和9.7倍）。虽然中和抗体水平在V4后6个月有所下降，但其 median 水平仍高于V4前，并且显著高于未接种V4的对照组。个体轨迹分析进一步证实，疫苗对中和抗体的加强效果在个体间存在异质性，近期感染是导致这种差异的主要原因。

双价疫苗对鼻腔黏膜免疫的短暂提升

黏膜免疫，特别是上呼吸道的免疫反应，是抵御病毒感染的第一道防线。本研究对鼻腔上皮衬液（NELF）中的抗体进行了详细分析。结果显示，接种V4后1个月，鼻腔内针对原始株和BA.1刺突蛋白的特异性IgG水平显著上升（分别提升10.5倍和6.1倍），但对其他VOC的IgG结合抗体也显示出类似的短暂提升。然而，这种提升是短暂的，在V4后6个月，鼻黏膜IgG水平迅速回落到接近V4前的水平，与未接种V4的对照组无显著差异。与此形成鲜明对比的是，鼻腔内针对S蛋白和N蛋白的特异性IgA抗体水平在各个时间点均保持稳定，未受V4接种的影响，且大多数个体的IgA水平始终高于检测阈值。鼻腔IgG与血浆IgG水平在V4后1个月时呈现强相关性，提示鼻黏膜IgG的瞬时升高可能主要源于血液循环中抗体的渗出（Transudation），而非局部产生。

T细胞反应对变异株的高度交叉反应性

与抗体反应相比，T细胞反应表现出对变异株的高度交叉反应性。针对奥密克戎BA.1和BA.2刺突蛋白的IFN-γ T细胞反应，与针对原始株的反应相比，仅轻微下降（最多1.3倍），且这种交叉反应性在不同时间点和不同疫苗接种状态的组别中均保持一致。对T细胞增殖能力的深入分析发现，在接种了双价疫苗的个体中，其CD4⁺和CD8⁺ T细胞对BA.1刺突蛋白S2区域的增殖反应，相较于对原始株S2区域的反应有显著增强，这提示双价疫苗可能诱导了对新表位（Epitope）的T细胞识别，进一步丰富了T细胞免疫的广度。

研究结论与意义

本研究通过长达18个月的随访，全面评估了双价（祖株/BA.1）COVID-19 mRNA疫苗在真实世界中对医护人员免疫系统的动态影响。主要结论可归纳为以下几点：

1. 1.
   有效提升与拓宽体液免疫：在奥密克戎流行背景下，双价疫苗能有效加强针对SARS-CoV-2原始株和奥密克戎变异株的循环结合抗体和中和抗体水平，并显著拓宽了对多种历史及新兴关切变异株（包括XBB.1.5和BA.2.86）的抗体反应广度，效果可持续至少6个月。
2. 2.
   维持稳健的细胞免疫：T细胞反应（以IFN-γ分泌为指标）表现出高度的持久性和对奥密克戎变异株的交叉反应性，接种双价疫苗后未观察到量的显著提升，但可能诱导了对新表位的识别，增强了质的广度。
3. 3.
   自然感染的重要作用：在奥密克戎广泛传播的时期，突破性感染是驱动和维持长期免疫记忆（尤其是针对非疫苗抗原）的关键因素。对于近期感染者，额外接种加强针的边际效益可能有限。
4. 4.
   黏膜免疫的挑战：双价疫苗能短暂大幅提升鼻腔黏膜中的IgG水平，但这种提升消退迅速，未能产生持久效应。鼻黏膜IgA水平则保持稳定，不受疫苗接种影响，提示当前基于mRNA的系统性疫苗接种策略在诱导持久黏膜免疫方面存在局限。

这项研究的意义在于，它为COVID-19疫苗更新策略和加强针接种政策提供了重要的免疫学依据。研究表明，针对流行变异株更新的疫苗能够有效增强免疫反应的广度，尤其对于距离上次感染或接种时间较远、免疫力可能有所下降的个体益处明显。然而，研究也凸显了当前疫苗策略的不足，即难以在上呼吸道建立持久的黏膜免疫屏障。因此，未来的疫苗研发方向可能需要侧重于能够有效诱导强大且持久黏膜免疫的新剂型（如鼻喷疫苗）。此外，对于已通过自然感染获得较强免疫的个体，疫苗接种的频率和必要性可能需要更加个性化的评估。总之，这项深入的免疫应答图谱研究，为理解和完善针对快速变异病毒的免疫防护策略提供了关键见解。