预先存在的黏膜免疫因子与完全抵御原发性SARS-CoV-2感染的相关性研究

《Nature Communications》：Pre-existing and early cellular immune factors correlate with functionally complete protection against primary controlled human SARS-CoV-2 infection

本研究针对缺乏特异性免疫力个体如何抵抗新型病原体感染这一关键科学问题，通过SARS-CoV-2人体挑战模型，系统揭示了鼻腔黏膜CCL13水平、交叉反应性T细胞及低分化NK细胞构成的免疫网络与完全保护作用的相关性。该发现为新兴病毒防控提供了重要免疫学基础。

　　

当一种全新的病毒出现时，为什么有些人即使没有特异性免疫力也能成功抵抗感染？这个问题在COVID-19大流行初期就引起了科学家的浓厚兴趣。尽管大多数人最终都会感染SARS-CoV-2，但总有一部分人似乎对初次病毒暴露具有天然的抵抗力。在真实世界中研究这些"抵抗者"几乎不可能，因为病毒暴露剂量、环境因素和行为差异等混杂因素难以控制。正是在这一背景下，英国帝国理工学院Christopher Chiu教授团队开展的SARS-CoV-2人体挑战研究为我们提供了独一无二的研究窗口。

这项发表在《Nature Communications》的重要研究，通过精心设计的对照试验，首次系统揭示了在血清阴性健康志愿者中，哪些预先存在的免疫因素能够预测对SARS-CoV-2感染的完全保护。研究人员发现，鼻腔黏膜中一种名为CCL13的趋化因子水平、针对病毒复制转录复合体的交叉反应性T细胞，以及特定亚型的自然杀伤细胞，共同构成了一道有效的早期防御网络。

研究团队采用了多组学技术平台，包括：利用单细胞RNA测序技术分析鼻咽部免疫细胞动态；通过多因子检测平台定量黏膜和循环系统中的细胞因子、趋化因子和抗体水平；运用多色流式细胞术精细解析免疫细胞亚群表型和功能；建立条件独立性网络模型推断免疫因子间的调控关系。样本来源于34名18-29岁血清阴性志愿者，在严格控制的条件下接种标准剂量的SARS-CoV-2病毒，并系统收集感染前后多个时间点的鼻咽拭子、外周血单核细胞和血浆样本。

结果

不同感染结局的血清阴性成人

研究纳入34名血清阴性的健康志愿者，接种10 TCID₅₀的SARS-CoV-2病毒后，18名参与者发展为持续感染（符合连续两次qPCR阳性的标准），而16名参与者未达到感染标准。其中5名未感染者出现短暂的低水平病毒检测（单次非连续性阳性），被归类为短暂感染亚组；其余11名未感染者始终无病毒检测阳性，被归类为中止感染亚组。这两类未感染组均无临床症状和血清转化，表现出完全的功能性保护。

预先存在的交叉反应性抗体水平对感染的预测性有限

研究人员检测了参与者接种前血浆和鼻腔黏膜液中针对多种冠状病毒的抗体水平。结果显示，未感染组与感染组之间的系统性或黏膜抗体水平无显著差异。虽然中止感染亚组部分个体显示出较高的抗SARS-CoV-2核衣壳蛋白IgG和抗刺突蛋白IgA水平，但抗体水平整体上并不能明确预测保护结局。有趣的是，鼻腔中较高的抗SARS-CoV-2刺突蛋白IgM水平与延迟的qPCR阳性时间相关，提示黏膜交叉反应性抗体可能有助于缩短病毒脱落时间。

完全保护与鼻腔趋化因子水平升高相关

在缺乏高效价病毒特异性抗体的情况下，其他免疫机制可能发挥更重要的保护作用。研究发现，未感染组在接种前鼻腔液中的CCL13（单核细胞趋化蛋白-4）水平显著高于感染组。单细胞RNA测序分析显示，鼻咽部髓系细胞，特别是表达CD69和ITGAE（CD103）的树突状细胞和单核细胞，是CCL13的主要产生细胞。流式细胞术分析进一步发现，未感染组外周血中CD1c⁺树突状细胞的频率更高，且与鼻腔CCL13水平呈正相关，提示循环树突状细胞可能是鼻腔CCL13的重要来源。

低分化、NKG2C^-自然杀伤细胞与保护相关

自然杀伤细胞在早期病毒控制中扮演关键角色。表型分析发现，感染组富集高度分化的CD56^dimCD57⁺NKG2C⁺和适应性NK细胞亚群，而未感染组则富含低分化的CD56^dimCD57^-NK细胞。单细胞转录组分析显示，中止感染组的NK细胞在感染早期表现出更强的细胞因子相关基因模块活性，而持续感染组的NK细胞则偏向细胞毒性功能。在感染个体中，基线期较高的低分化NK细胞比例与较短的可培养病毒阳性持续时间相关，提示即使感染发生，特定的NK细胞亚群仍有助于控制感染。

非结构蛋白特异性、产生IL-2的T细胞存在于血清阴性个体中

单细胞RNA测序显示，未感染者在接种后第1天就出现鼻咽部CD4⁺和CD8⁺T细胞的快速聚集。进一步分析发现，尽管所有参与者均无SARS-CoV-2感染血清学证据，但多数人对病毒复制转录复合体非结构蛋白（NSP7、NSP12、NSP13）肽段刺激产生T细胞反应。未感染组显示出更高的产生IL-2的T细胞应答趋势。基线期NSP12特异性产生IFN-γ的T细胞频率与激活的CD8⁺T细胞应答强度呈正相关，且与较短的qPCR阳性持续时间相关，表明这些交叉反应性T细胞可能通过促进CD8⁺T细胞应答来加速病毒清除。

整合机器学习识别CCL13-CD1c⁺树突状细胞为保护轴心

多变量逻辑回归模型显示，基线期鼻腔可溶性介质整体特征能较好区分感染结局。条件独立性网络分析揭示了CCL13与循环CD1c⁺树突状细胞频率之间的直接关联，以及CD1c⁺树突状细胞与NSP特异性产生IL-2的T细胞应答之间的强关联，表明存在一个以CCL13-CD1c⁺树突状细胞为核心的免疫准备状态网络，该网络将趋化因子信号与T细胞就绪状态联系起来。

讨论与结论

这项研究通过人体挑战模型，首次系统阐明了在缺乏特异性免疫力个体中抵抗SARS-CoV-2感染的免疫相关因素。研究发现，预先存在的鼻腔黏膜免疫环境，特别是由树突状细胞产生的CCL13趋化因子水平，是预测完全保护的关键因素。这一趋化因子环境可能与快速招募髓系细胞和淋巴细胞至感染部位有关。同时，针对病毒复制转录复合体的交叉反应性T细胞和低分化NK细胞也构成了保护性免疫网络的重要组成部分。

研究的重要意义在于揭示了多层次、协同作用的免疫保护机制，其中呼吸道黏膜的先天免疫和早期适应性细胞免疫在抵御新发病毒中发挥着关键作用。这些发现为未来 pandemic 防范提供了重要启示：针对局部黏膜免疫的干预策略，如黏膜疫苗或局部免疫刺激剂，可能比单纯依赖系统性免疫应答更为有效。尽管研究存在样本量有限、参与者年龄范围较窄和使用早期病毒变种等局限性，但其发现的免疫通路和关键因子为开发更有效的广谱防护措施指明了方向。