文献学习075--[sc]单细胞免疫谱分析揭示新冠疫苗接种后的体

上个月的Cell Discovery（IF: 38.079）

1. Durable response of neutralizing antibodies induced by a heterologous or homologous booster dose

Fig 1a：研究团队进行了假病毒中和试验(pVNT)，评估了同源BBIBP-CorV/BBIBPCorV或异源BBIBP-CorV/ZF2001加强针之后的中和滴度(图1a)。接种后6个月异源组pVNT值明显高于同源组。

pVNT（pseudovirus virus neutralization test）将慢病毒（或水泡型口炎病毒VSV）的包膜蛋白用新冠病毒的Spike蛋白替换，模拟新冠病毒感染。假病毒无完整的活病毒成分，只能进行一轮复制。相对于PRNT和MRNT方法，pVNT是一种灵敏、准确、重复性好的方法。SARS-CoV-2假病毒以复制缺陷型的HIV-1病毒为骨架，包被SARS-CoV-2的表面刺突糖蛋白（Spike glycoprotein），通过Spike 蛋白受体结合区域（Receptor-binding domain, RBD）与人血管紧张素转化酶2（Angiotensin converting enzyme 2, ACE2）受体结合，感染过表达人ACE2的细胞，模拟病毒入侵细胞过程。由于假病毒只能单次感染，无法复制，因此可在生物安全2级（BSL-2）实验室内操作和使用。

Fig 1b：在注射加强针180d后，BBIBP- CorV/ZF2001组的Omicron pVNT水平是baseline的6.35倍。prototype strain的pVNT水平趋势和Omicron一致。
Fig 1c：注射加强针后的follow up过程中anti-RBD总抗体水平和IgG isotype也被检测了。结果显示两种疫苗都可以产生长期的抗RBD抗体，heterologous组比homologous组的抗体水平更高。

2. Global profiling of peripheral blood mononuclear cells

Fig 2a：作者对homologous (InaV)组和heterologous (PrSV)组反应性High和Low的患者D0, 3, 14, 90, 180时间点的外周血PBMC进行了单细胞测序和BCR测序。
Fig 2b：high和low组不同时间点的pVNT titers。尽管peak的时间不一样，high和low组在180d时都具有较高的pVNT titers。
Fig 2c, d：注释得到6大类细胞，包括12个细胞群。

3. Heterologous booster induced more robust activation of plasma cells than homologous booster

Fig 3a, b：作者对B细胞亚群做了进一步细分，得到3个主要的亚群：naïve B 细胞 (MS4A1, IGHD, TCL1A), memory B 细胞 (MS4A1, CD27, PTPN6, BLK) 和浆细胞 (XBP1, MZB1)。
Fig 3c：浆细胞在加强针后出现了fast clonal expansion。和homologous组相比，heterologous 组显示出 earlier expansion dynamics。
Fig 3d： 在homologous组中，主要扩增的BCR isotype是IGHA2 和 IGHG2，在heterologous组中则是IGHA1 和 IGHG1，提示不同的boosters会诱导不同性质的体液免疫。
Fig 3e： 和克隆扩增相一致，浆细胞扩增在heterologous组中也出现的更早。
Fig 3f：功能富集结果显示，heterologous组的浆细胞高表达与蛋白翻译、折叠和糖基化相关蛋白。此外，heterologous组的线粒体氧化磷酸化也更明显。These features could partially explain the higher antibody production in the heterologous group.

4. Early expansion and persistence of B cell clones underlies sustainable antibody titers

为了进一步探究接种疫苗后体液免疫的进展过程，作者分析了不同时间点B细胞的BCR clones。
Fig 4a：为了探究疫苗加强针后B细胞的初始反应，作者比较了D3/D14的扩增BCR克隆和D0/D3/D14的所有记忆B细胞clone。一共鉴定出134种疫苗相关的扩增克隆型，其中17个和记忆B细胞有共有的BCR，提示激活了SARS-CoV-2-specific memory B cells。有趣的是有11个扩增的浆细胞 clones和D0/D3的naïve B 细胞有共有的 BCR，提示存在B细胞存在de novo的激活和分化。
Fig 4b, c：和de novo clones相比，recalled clones展示出更强的 somatic hypermutation (SHM) 和 isotype switching，提示recalled clones产生的抗体活性更强，作用更广泛。

随后作者想要去探究加强针诱导的B细胞记忆是否可以长时间存在。
Fig 4d：在D3/D14检测到的1293个扩增的BCR克隆中，380个在D90/ D180中也检测到了，提示存在着很好的持续性B胞免疫记忆。
Fig 4e：和D90/D180所检测到的总BCR克隆相比，60%shared clones表达IgA 或 IgG，in agreement with their origin of memory cells.
Fig 4f：此外，这些persistent clones和total clones相比展示出高SHM frequency。
Fig 4g：D180 persistent clones 的 SHM频率比D90还要高，提示持续的抗体亲和成熟。

Both heterologous and homologous boosters can induce the antigen-related B cell activation and differentiation, and that the presence of SARS-CoV-2 antigen-specific BCR clones persists up to at least 180 days.

5. High antibody titers are associated with active processes of antigen presentation and follicular helper T cell activation

不同的受试者接种homologous 或 heterologous 疫苗后产生的抗体滴度差异很大，因此理解反应性差异的基础十分重要。因此作者重新将homologous 和 heterologous 组分成high-antibody-titer 和 low-antibody-titer 组，分析了调节抗体形成的关键免疫通路如抗原呈递和滤泡辅助T细胞活化。
Fig 5a：作者发现cDC的抗原呈递功能与抗体滴度正相关，单核和pDC则与之负相关。
Fig 5b：且cDC的抗原呈递功能与抗体滴度的正相关在d0时是显著的，提示这个时期cDC发挥了重要的功能。
Fig 5c：此外，TLR信号通路和细胞因子信号通路如TNF, IFN, IL-1在d0的高抗体组cDC中更显著，这可能引起增强的 cDC 活化。
Fig 5d：GO-BP富集分析提示高抗体滴度组的cDC显著富集到cell activation, cell adhesion 和 antigen presentation 信号通路。Thus, basal cDC activation and function may be crucial to triggering the booster-induced antibody response.

在cDCs和B细胞之间，T细胞起到了关键的桥梁性作用。在接受了cDC的抗原刺激之后，一部分的T细胞哦分化成Tfh (follicular helper T)细胞，辅助B细胞在生发中心分化成浆细胞和记忆细胞。
Fig 6a：在D14，Tfh细胞的比例在高抗体滴度组比低抗体滴度组显著更高。
Fig 6b：功能富集结果也显示高抗体滴度组Tfh细胞在D3/D14时与病毒反应性有关。
Fig 6c：细胞互作结果提示高抗体滴度组cDCs, Tfh cells 和 B 细胞之间的互作在D3/D14 和 D90/D180更强，suggesting that the biological pro- cesses underlying SARS-CoV-2 immunization, including antigen presentation and the activation of Tfh cells that help the maturation of B cells, were more active in the high-antibody-titer group.

6. Energy metabolism fuels antibody production

由于所有的生物过程中能量代谢都起到了至关重要的作用，作者随后探究了参与体液免疫反应的免疫细胞的能量代谢动态变化。结果显示在几种细胞中，cDC的能量代谢最活跃，糖酵解和氧化磷酸化都非常长活跃。Tfh细胞也发生了糖酵解和氧化磷酸化，但活跃程度比cDC低。记忆B细胞和浆细胞则更依赖于氧化磷酸化而不是糖酵解。四种细胞的glutaminolysis在高抗体滴度组都出现了上调，脂肪酸代谢也轻度上调。糖酵解的变化则异质性较大。磷酸戊糖途径(PPP)是一种与糖酵解平行的代谢途径，有助于合成代谢。PPP在cDCs中高度活跃，而在其他细胞类型中表现出最小的活化。当比较高抗体滴度组和低抗体滴度组时，作者发现cDCs的PPP在高抗体滴度组的早期时间点更活跃。氨基己糖合成途径(HBP)是糖酵解的一个分支。浆细胞与活性HBP结合是因为糖基化对抗体活性至关重要。相比之下，记忆性B细胞表现出最低的HBP活性。浆细胞的HBP活性与抗体滴度也明显相关。

总结

1、该研究发现同源或异种第三剂加强疫苗对健康成人均具有高度免疫原性，免疫应答可持续至少6个月。
2、单细胞分析揭示同源和异种增强剂诱导的早期和长期体液免疫的潜在机制，作者发现BBIBP-CorV/ZF2001异种加强针组和BBIBP-CorV同源加强针组均能唤起功能性B细胞应答，诱导naïve B细胞重新活化，并激活IgA和IgG浆细胞及其同型分化。研究结果表明，与同源加强针相比，异源加强针可以更早、更强地诱导抗原特异性免疫应答，这可能与两种疫苗的生产策略不同有关。
3、该研究揭示了cDCs在加强疫苗接种后增强体液免疫应答方面的重要性，提示激活toll样受体和细胞因子通路有可能刺激cDCs诱发更强的T细胞和B细胞应答，同时获得更高的抗体滴度，甚至对SARS-CoV-2及其高关注变异株(VOCs)产生更广泛的免疫力。
4、研究发现谷氨酰胺是与抗体产生最相关的营养素。谷氨酰胺是细胞中最重要的氮源，在转氨酶的氨基酸转化中起关键作用。在接种SARS-CoV-2疫苗期间补充谷氨酰胺可能对促进体液免疫有益。

综上所述，该研究揭示了增强剂诱导体液免疫的细胞机制，并指出了未来在全球抗击快速演变的SARS-CoV-2病毒的战斗中提高疫苗效力的几个方向。