预先存在的交叉反应免疫对新型冠状病毒感染和疫苗应答的影响

Murray SM

摘要

一些研究已经描述了在未感染受试者中对严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)蛋白的预先存在的交叉反应性免疫应答。特别是，新型冠状病毒病毒和普通感冒冠状病毒之间的高度同源性区域被强调为这种交叉反应性的可能来源。然而，这种交叉反应在新型冠状病毒感染和疫苗接种结果中的作用目前尚不清楚。在这里，我们回顾了关于预先存在的体液和T细胞免疫反应对新型冠状病毒感染和疫苗接种结果的影响的证据。此外，我们讨论了保守冠状病毒表位对于合理设计泛冠状病毒疫苗的重要性，并考虑了对祖先新型冠状病毒和新型冠状病毒变异体的免疫反应的交叉反应性，以及它们对新冠肺炎疫苗接种的影响。

1.介绍

严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)是新冠肺炎的致病因子，是一个大家族的成员，该家族由正链RNA人类冠状病毒(hcov)组成，包括α冠状病毒(α-CoVs) 299E和NL63以及β冠状病毒(β-CoVs) HKU1、OC43、中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)、SARS-CoV和新型冠状病毒。所有HCoVs在开放阅读框(orf)3、6、7、8、9、10和14中表达结构蛋白刺突蛋白、包膜蛋白、膜蛋白和核衣壳蛋白、辅助蛋白，在ORF1中表达大得多的非结构蛋白组(NSPs )。HCoVs在结构蛋白和NSP中有高度的同源性。所谓的普通感冒冠状病毒(普通感冒冠状病毒s) HKU1、OC43、NL63和299E是季节性的，在全球人群中很常见，估计在2019年造成了10-20%的病毒性呼吸道感染，主要导致轻度疾病。相比之下，MERS-CoV、SARS-CoV和新型冠状病毒病毒都是在过去20年中出现的，并可能导致严重的、潜在的致命疾病。尽管新型冠状病毒因其相对较高的病死率而被广泛归类为致病性新冠肺炎表现出多种症状，从大多数患者的无症状或轻度疾病，到严重疾病，包括急性呼吸窘迫综合征、肺炎、心律失常、脑病、急性肾损伤，以及在某些情况下的死亡。新冠肺炎病严重程度的几个风险因素已经被确定。这些包括人口统计因素，如年龄、黑人和亚裔，男性别和共病如糖尿病、肾脏疾病、脑血管疾病、心血管疾病和呼吸系统疾病。此外，各种免疫学相关因素与新冠肺炎严重程度和疾病结果相关。这些包括I型干扰素的自身抗体；骨髓细胞群改变，包括未成熟中性粒细胞数量增加和非经典单核细胞减少以及过度炎症和异常CD163的增加+单核细胞。血清细胞因子水平升高与严重的新冠肺炎感染相关，并且是不良疾病结局的强预测因子。适应性免疫反应，包括协调的新型冠状病毒特异性CD4+T的发展和CD8+T细胞反应和中和抗体与新冠肺炎病严重程度的降低相关；然而，某些T细胞反应包括非常规CD16+T细胞粘膜相关不变T (MAIT)细胞和γδ T细胞可能在严重新冠肺炎中增加，并可能与免疫病理学相关。

在接触新型冠状病毒病毒之前，个体中存在的交叉反应性免疫反应也可能影响感染的易感性和疾病的严重程度。鉴于新型冠状病毒病毒与其他hcov，特别是β-CoV属的hcov的高度同源性，以及普通感冒冠状病毒s的非常高的流行率，这些病毒很可能是交叉反应性免疫应答的来源。然而，先前存在的新型冠状病毒交叉反应性的确切来源和随后的作用仍然是一个相当有研究兴趣的问题。来自其他传染病研究的证据表明，预先存在的交叉反应性免疫反应可能会影响疾病结果(图.1)，在某些情况下促进对感染的保护——例如甲型流感和日本脑炎病毒感染——其中发现了有益的交叉反应性T细胞反应。但在其他情况下，如登革热病毒和寨卡病毒病毒感染疾病的严重程度有可能加剧(方框1)。了解针对新型冠状病毒的交叉反应性免疫反应可能有助于我们了解新冠肺炎病和疫苗接种临床结果的异质性，并使我们能够识别在遗传多样性冠状病毒之间保守且最有可能受到功能限制的免疫表位。这些可能为开发泛冠状病毒疫苗提供了见解，该疫苗可以保护免受新出现的新型冠状病毒相关变异体(VoCs)和未来新型疫情冠状病毒的感染。

图1:在异源继发性病毒感染中鉴定的有益或有害交叉反应性免疫反应的机制。

交叉反应性T和B细胞可在与异源继发感染因子具有序列相似性的病毒的初次感染中产生。交叉反应性免疫细胞可能具有有益或有害的作用，并且已经针对许多不同的病毒家族确定了这种作用的机制。a有利的交叉反应性T细胞可以通过高同源性表位引发T细胞来产生。然后，这些T细胞在异源继发感染期间以高亲和力进行交叉反应，并可通过防止侵入性感染(中止感染)来阻断致病性，或者可通过形成“次级样”记忆免疫反应并增加B细胞辅助和T细胞反应的量来加快病毒清除率。冠状病毒感染研究报告了这种交叉反应机制的证据，包括严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(新型冠状病毒)。b有益的交叉反应性记忆B细胞和抗体可以针对原发性感染和异源性继发感染之间高度相似的表位而产生。特异于高度保守表位的交叉反应性B细胞然后可以继续产生对异源感染的快速和高功能性记忆样反应，包括产生可以阻止病毒进入细胞的交叉中和抗体。这些交叉反应机制的证据在冠状病毒感染中有报道，包括β冠状病毒和新型冠状病毒，流感感染和流感疫苗研究。c针对相对低同源性的表位产生的交叉反应性T细胞可能通过支配对继发感染的反应、竞争呈递的抗原和破坏高亲和力的新生T细胞反应的产生，对异源物质的继发感染产生不利影响。与第一种相比，交叉反应性T细胞可以以较低的亲和力与来自第二种感染原的表位结合。通过交叉反应性CD8结合低亲和力表位+然后，t细胞可能导致促炎细胞因子(干扰素-γ (IFNγ)、肿瘤坏死因子-α (TNFα))的产生，而不诱导细胞溶解效应子功能(脱粒)——导致免疫病理学和减少病毒清除。在黄病毒感染的研究中已经报道了这些交叉反应机制的证。d针对低同源性表位产生的交叉反应性B细胞可能会干扰对二次异源感染的反应，这是通过使对初始感染原的亲和力更高的抗体的反应发生偏斜，从而减少新抗体反应的产生。在冠状病毒(普通感冒冠状病毒和新型冠状病毒)中报道了这种交叉反应机制的证据和流感病毒的研究。不能中和继发性异源感染的低亲和力交叉反应性抗体或低水平的高亲和力交叉反应性抗体可与病毒结合，并通过Fc受体介导的胞吞作用帮助病毒进入细胞，这种机制称为抗体依赖性增强。在黄病毒感染的研究中报道了抗体依赖性增强的证据。抗原呈递细胞；T生命值全满细胞，滤泡辅助T细胞。

在这里，我们汇集了针对新型冠状病毒的预先存在的交叉反应免疫反应的证据。我们讨论了免疫交叉反应在新型冠状病毒感染中的潜在作用的理论证据，新型冠状病毒病毒和其他病毒之间的交叉反应的实验证据，交叉反应对新型冠状病毒感染后临床结果的影响的证据，我们检查了交叉反应对新型冠状病毒疫苗接种反应的影响。此外，我们反思了交叉反应对未来疫苗开发的影响以及新型冠状病毒挥发性有机化合物的背景。

方框1密切相关病毒之间的序列同源性对异源感染免疫反应的影响

密切相关的病毒可以诱导相互之间的交叉反应性免疫反应，例如在病毒家族中，成员之间的高度序列同源性会影响对相关病毒的免疫反应。例如，众所周知，交叉反应性对下列成员感染的临床结果有影响黄病毒科家族:这包括登革病毒(DENV)和寨卡病毒病毒(ZIKV)，其中对一种DENV血清型感染的免疫反应可对随后另一种DENV血清型或ZIKV感染产生有害后果。这种现象符合“原始抗原罪”的概念。这是在1953年提出的并描述了一种情况，其中对原发感染的免疫改变了对继发感染的免疫反应的有效性。黄病毒中有害的原始抗原致病主要是抗体介导的，并且是由于继发感染中的抗体依赖性增强(ADE)(图.1)。在DENV的例子中，ADE是一种现象，其中响应一种DENV血清型的初次感染而产生的低亲和力或低浓度抗体不能中和另一种DENV血清型的二次感染，而是结合并增强病毒的能力，导致二次感染通过Fc-受体介导的胞吞作用进入细胞

尽管有大量证据表明黄病毒感染中有害的ADE，但交叉反应性T细胞介导的免疫反应在黄病毒结果中的作用仍有争议。最初的证据表明，在不同血清型DENV的重复感染中，继发感染中募集的T细胞对原发感染性血清型的亲和力高于继发血清型。此外，一些研究表明，DENV感染中T细胞的数量与疾病的严重程度正相关并表明继发DENV感染中的交叉反应性T细胞可能在继发感染期间观察到的发病机理增加中起作用(图.1)。然而，也有证据表明交叉反应性T细胞可能反而有益于黄病毒感染的临床结果。最近的出版物在90%的DENV暴露的、ZIKV未暴露的供体中鉴定了93个交叉反应性ZIKV T细胞表位，并且这些交叉反应性表位中的一些的体外测试显示它们诱导了强烈的交叉反应性T细胞应答，这在理论上可能在随后的ZIKV感染中具有保护作用。在其他几项研究中，T细胞对以前DENV感染中产生的交叉反应肽的反应，对应于对ZIKV或类似高度保守的黄病毒，日本脑炎病毒继发感染的更快速和更大量的T细胞反应。交叉反应性T细胞的表位在DENV和ZIKV之间具有高度的序列同源性(> 67%)。这些与对ZIKV的二次免疫反应的强度增加有关，实验证明序列同源性的程度影响交叉反应性T细胞反应的强度。表位之间67%序列同源性的阈值随后也被证明与普通感冒冠状病毒和新型冠状病毒之间的T细胞交叉反应性相。

除了在黄病毒中有益的交叉反应性的例子之外，在文献中还有更多有益的交叉反应性的例子。也许最著名的例子是爱德华·詹纳在1796年发现接种牛痘可以保护个人免受相关的致命天花病毒的感染——这导致了天花的最终根除，并奠定了疫苗学领域的基础。最近，在2009年H1N1疫情期间对甲型流感感染的详细研究发现，H1N1未感染的供体中预先存在的T细胞与H1N1的保守表位交叉反应。此外，这些预先存在的H1N1交叉反应性T细胞的数量与随后感染的疾病评分呈负相关，因此研究参与者具有更高的预先存在的分泌交叉反应性干扰素-γ的CD8+T细胞降低了H1N1症状性感染的风险。诸如此类的研究表明，交叉反应性可以显著改变异源感染的后续免疫反应和疾病转归。

2.与其他病毒的新型冠状病毒序列同源性

新型冠状病毒与OC43的总序列同源性为69%，与HKU1的同源性为68%，与NL63和229E的同源性为65%，表明先前普通感冒冠状病毒感染诱导的交叉反应性免疫反应可能在新型冠状病毒感染或疫苗接种结果中起重要作用。基因组和蛋白质比对表明，NSPs、刺突蛋白的S2结构域和核衣壳蛋白显示出cov之间的最高同源性(图.2)。新型冠状病毒和SARS-CoV核衣壳蛋白之间的同源性为90%，β-CoV hku 1和OC43之间的同源性分别为34%和35%。刺突蛋白的S2区在新型冠状病毒和普通感冒冠状病毒s之间比S1区保守得多。特别是，诸如S2融合蛋白结构域和七肽重复序列2的区域在冠状病毒中高度保守。在刺突蛋白的S1部分发现的免疫显性结构域，如受体结合结构域(RBD)和N-末端结构域，在CoV之间相对更易变(对于RBD，新型冠状病毒与SARS-CoV有73-76%的同源性，与HKU1有24%的同源性，与OC43有23%的同源性)。新型冠状病毒与HCoVs的可变保守性意味着交叉反应性可能主要针对新型冠状病毒蛋白质组的某些区域。例如，新型冠状病毒RBD区相对较低的序列同源性使其不太可能成为交叉反应抗体的目标。考虑到已知RBD区域含有大多数中和抗体结合位点这潜在地限制了交叉反应抗体中和新型冠状病毒的能力。然而，新型冠状病毒刺突蛋白的高度保守的S2融合蛋白区域的结合抗体也已经显示出中和新型冠状病毒细胞的进入。在新冠肺炎疫苗中，大多数使用新型冠状病毒刺突蛋白作为免疫原，普通感冒冠状病毒的交叉反应性仅限于刺突蛋白。因此，普通感冒冠状病毒与新冠肺炎疫苗和新型冠状病毒病毒感染的交叉反应性可能存在复杂和动态的相互作用，可能与接种人群中新型冠状病毒刺突蛋白保守区域的交叉反应性增强。

图2:严重急性呼吸综合征冠状病毒2交叉反应表位和普通感冒冠状病毒同源性。

严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(新型冠状病毒)蛋白质组，具有实验确定的人类交叉反应表位区域，如补充表中所列1。含有交叉反应表位的新型冠状病毒蛋白沿图的顶部标记，并沿图的底部描绘。使用MATLAB multialign函数和PAM250评分矩阵将四种常见感冒冠状病毒中每一种的祖先新型冠状病毒和参考序列[登录号:229E: NC_002645.1，OC43: NC_006213.1，NL63: NC_005831.2，HKU1: NC_006577.2]的氨基酸序列相互比对。使用移动窗口来计算原始新型冠状病毒序列和每种普通感冒冠状病毒之间氨基酸(aa)差异的平均数(每碱基错配的平均数(平均距离))。对于ORF1ab和刺突蛋白使用100的窗口大小，对于其他蛋白使用30的窗口大小。e、包膜蛋白；m，膜蛋白；n，核衣壳蛋白；NSP，非结构蛋白；NTD，N-末端结构域；ORF，开放阅读框；RBD，受体结合域；S2，S单位2。

还描述了新型冠状病毒刺突蛋白与其他单链RNA病毒的进化保守性，计算分析显示了新型冠状病毒病毒和副粘病毒(包括腮腺炎病毒、麻疹病毒和尼帕病毒)区域之间的遗传序列相似性。有趣的是，在刺突蛋白中，新型冠状病毒病毒和副粘病毒之间最高序列相似性的区域对应于新型冠状病毒S2融合蛋白结构域，该结构域在HCoVs中也是高度保守的。这些病毒与新型冠状病毒病毒之间的高度序列同源性表明，除了HCoV以外的病毒也可能导致新型冠状病毒免疫交叉反应，并影响感染和疫苗效果。

3.交叉反应免疫的证据

几项研究表明，在新冠肺炎疫情之前收集的个体样本中，存在对新型冠状病毒表位或抗原的免疫反应性，为新型冠状病毒交叉反应性免疫反应可能源自非新型冠状病毒抗原提供了明确的证据。此外，交叉反应性T和B细胞的表位已经用计算工具进行了预测，并用常规的实验室测定法进行了鉴定。这些位于新型冠状病毒和HCoVs之间高度同源的区域，如核衣壳蛋白，刺突蛋白S2区以及在ORF1中发现的NSP(图.2和补充表格1)。然而，交叉反应是可行的，由受体结合退化或表位结构相似性不限于普通感冒冠状病毒s，其他常见的感染因子可以提供与新型冠状病毒表位高度同源的表位来源。

3.1交叉反应抗体和B细胞

许多研究已经在疫情之前或早期从未接触过新型冠状病毒病毒的个体样本中检测到交叉反应抗体。在未暴露的儿童、青少年和成人中，发现了针对新型冠状病毒总刺突蛋白和核衣壳蛋白的高血清流行率，但没有针对刺突蛋白的RBD或S1亚单位的高血清流行率，这表明在这些队列中反应主要针对S2。结合在刺突蛋白的最后743个氨基酸内的交叉反应性抗体被定位于刺突蛋白的S2区域内的多个表位，这些表位在新型冠状病毒和其他HCoVs之间很大程度上是保守的(表格1)。在对覆盖新型冠状病毒刺突蛋白的196个重叠肽的分析中也获得了类似的发现，证明了来自在疫情之前采集的血清样品的抗体可以结合与其他HCoVs具有高度序列同源性的新型冠状病毒S2区域。

表1交叉反应对T细胞和B细胞反应以及新冠肺炎临床结果的有益、有害或中性影响的实验证据

新型冠状病毒感染和疫苗接种中普通感冒冠状病毒-新型冠状病毒交叉反应免疫应答的研究和机制概述。对新冠肺炎临床过程有益、中性或有害的临床/生物学结果被标记出来。β-CoV，β冠状病毒；普通感冒冠状病毒，普通感冒冠状病毒；新冠肺炎CCP疗养血浆；HCoV，人类冠状病毒；新型冠状病毒，严重急性呼吸综合征冠状病毒2；T生命值全满细胞；滤泡辅助T细胞。

类似地，已经研究了新型冠状病毒反应性记忆B细胞群与HCoVs的交叉反应性。在新冠肺炎的恢复期献血者中，高达4%的免疫球蛋白G (IgG)+记忆B细胞与新型冠状病毒刺突蛋白和HKU1或NL63结合，证明了B细胞受体与新型冠状病毒和HCoVs的表位的交叉反应性。从这些交叉反应性B细胞产生的单克隆抗体也显示出与其他几种hcov的交叉反应性结合，包括OC43、MERS-CoV-2和SARS-CoV。先前存在的交叉反应记忆B细胞也显示出在对新型冠状病毒感染的早期反应中扩增。这些交叉反应性记忆B细胞在最初的新型冠状病毒病毒感染之前已经经历了显著的高突变，但是它们的频率随着时间的推移而降低(在新型冠状病毒病毒感染后的3到6个月之间)。这可能表明，尽管交叉反应性记忆B细胞形成了对新型冠状病毒感染的初始反应的一部分，但它们并未被选择用于感染后形成的全部记忆B细胞库。然而，值得注意的是，一些可用于再次激发的交叉反应性记忆B细胞可能无法通过外周血中的常规流式细胞术染色和以下技术检测到四聚体富集可能需要检测罕见的交叉反应性记忆B细胞群。

3.2交叉反应性T细胞

几项研究还在未接触过新型冠状病毒病毒的个体的血液样本中发现了与新型冠状病毒交叉反应的T细胞。与抗体表位相比，在除刺突蛋白之外的新型冠状病毒蛋白中鉴定出了更多与疫苗设计相关的交叉反应性T细胞表位(补充表1)。例如，使用干扰素-γ ELISpot试验，在37名未暴露于新型冠状病毒的供体中的19名中检测到对结构性核壳蛋白和非结构性ORF1蛋白(主要靶向NSP7和NSP13)的反应。这些T细胞表位定位于核衣壳蛋白(N101–120)在新型冠状病毒和hcov之间是高度保守的，并且包含已经在17年前从SARS-CoV感染中康复的个体中鉴定的T细胞表位(补充表1)。该表位经历了大量的后续分析，并被认为是交叉反应性CD8+T的重要靶点细胞。Swadling等人的一项研究使用新冠肺炎疫情之前采集的样本和来自新型冠状病毒暴露但未感染的卫生保健工作者的样本，在新型冠状病毒复制转录复合物的非结构成分NSP7、NSP12和NSP13中鉴定了交叉反应性T细胞的表位。这项研究中的生物信息学分析发现，与结构蛋白相比，新型冠状病毒和复制转录复合物中所有其他HCoVs之间的序列同源性显著更高。与同源的新型冠状病毒表位相比，来自五分之三的血清阴性卫生保健工作者的交叉反应性T细胞对相应的HKU1表位表现出更高的反应，这表明新型冠状病毒交叉反应性是这些个体中先前HKU1感染的结果。

短期T细胞系源自未暴露于新型冠状病毒的受试者，代表新型冠状病毒免疫显性表位的肽也已用于评估交叉反应性T细胞。这些短期T细胞系中的许多与HCoV表位发生交叉反应，其中一些与HCoV表位的反应比用于产生它们的新型冠状病毒表位更强烈，这再次表明它们来源于HCoV而不是新型冠状病毒。由于并非所有这些表位都与来自其它HCoV的表位具有高度同源性，因此可能与HCoV没有交叉反应性的短期T细胞系可能源自非HCoV来源。交叉反应性T细胞表型的证实表明，它们不是从头产生的，而是具有真正的记忆表型(CD45RA−CCR7−/+)。交叉反应肽的同源性评估显示，在新型冠状病毒和普通感冒冠状病毒s之间具有最高同源性(≥67%)的肽比那些具有较低同源性的肽更可能具有交叉反应性，这表明，正如所预期的，表位相似性是交叉反应性的关键。

然而，功能性T细胞对HCoVs间低同源性表位的反应，包括NSP736–50和NSP726–40在其他体外实验中也得到了证实。外周血单核细胞(PBMCs)来自一名未接触新型冠状病毒病毒的新型冠状病毒NSP7供体36–50当用相应的HCoV衍生的氨基酸序列刺激时，反应性T细胞没有反应。这一发现很有趣，因为它为HCoVs以外的T细胞交叉反应性的替代来源提供了证据。最近的一项研究类似地调查了新型冠状病毒交叉反应性T细胞的来源，发现在新冠肺炎疫情之前从个体中采集的样本中识别的新型冠状病毒特异性T细胞可以与来自普通共生细菌的预测的、自然加工的、确定的微生物肽交叉反应，表明来自共生细菌的微生物肽是预先存在的新型冠状病毒交叉反应性T细胞的潜在重要来源。

除了交叉反应CD4的研究之外+T细胞到新型冠状病毒，其他研究已经确定了预先存在的交叉反应CD8+T细胞。人类白细胞抗原A (HLA-A)限制的和HLA-B限制的共有表位已经在新型冠状病毒的几个区域被描述，包括刺突蛋白、ORF1ab衍生的蛋白和ORF7a补充表格1)。特别是高度预先存在的交叉反应性CD8+T细胞在携带新型冠状病毒病毒的未暴露供体中发现了对该病毒的反应HLA-B*7:02等位基因。

3.3交叉反应免疫反应的影响

交叉反应性免疫反应对新型冠状病毒病毒感染结果的影响可以通过两种主要方式来定义:在流行病学水平，普通感冒冠状病毒感染的流行率可以与新冠肺炎病毒的临床结果和新型冠状病毒病毒的流行率相关，以及在队列研究中直接评估交叉反应性抗原对新型冠状病毒病毒免疫反应的影响(表1)。此外，许多研究旨在解释交叉反应抗体、记忆B细胞和T细胞影响新型冠状病毒免疫的机制。

流行病学研究可以探索普通感冒冠状病毒患病率随地理、季节和年龄组的变化，并将这种患病率与新型冠状病毒感染的结果或发病率相关联，从而为普通感冒冠状病毒在调节新冠肺炎严重程度或新型冠状病毒感染患病率中的作用提供新的见解。

4.普通感冒冠状病毒的地理和季节变化

尽管造福儿童的普通感冒冠状病毒遍布全球，但这些感染的流行率可能因地理区域和季节而异。一项对128项研究的荟萃分析显示，普通感冒冠状病毒的总体感染率为5%，但这一比率从菲律宾的0.73%到突尼斯的21.51%不等。总的来说，这些研究包含的人群数量很少，而且只包括那些有症状的患者，因此感染的真实流行率可能被严重低估。

普通感冒冠状病毒的季节性也有很好的记录，全球冬季普通感冒冠状病毒感染的发病率增加。在苏格兰，已经表明HCoV毒株跨季节相互循环，一种冠状病毒毒株的高流行性与另一种冠状病毒毒株的低流行性相一致。类似的发现在美国密歇根州的一个队列中得到证实。普通感冒冠状病毒的季节性可以用社会行为和两次浪潮之间免疫力的减弱来解释。值得注意的是，不同步的季节性和低水平的混合感染在α-CoVs HCoV-NL63和HCoV-229E之间观察到，表明密切相关的普通感冒冠状病毒之间潜在的免疫介导的相互作用(交叉反应性)可能影响不同普通感冒冠状病毒的人群患病率。然而，普通感冒冠状病毒的季节性对与新型冠状病毒交叉反应的影响尚不清楚。

考虑到普通感冒冠状病毒感染在全球范围内的高且易变的流行率，是否有任何证据表明普通感冒冠状病毒流行率对新型冠状病毒感染结果有影响？在一项旨在确定既往普通感冒冠状病毒感染与新型冠状病毒感染临床结果之间关系的大型研究中，15，928名个体中有875人的普通感冒冠状病毒感染检测呈PCR阳性。与那些在研究时间范围内没有普通感冒冠状病毒感染证据的人相比，普通感冒冠状病毒检测呈阳性并随后感染新型冠状病毒的人有较轻的新冠肺炎，表明对以前的普通感冒冠状病毒感染有一定的交叉保护作用。另一项研究表明，有普通感冒冠状病毒阳性检测史的参与者感染新型冠状病毒病毒的新冠肺炎较轻，包括重症监护病房入院和死亡的可能性降低，在考虑年龄、性别、体重指数和糖尿病状况后，这一点仍然很重要。

5.年龄和普通感冒冠状病毒交叉反应性

探索普通感冒冠状病毒的患病率和新型冠状病毒感染结果之间的关系，已知在不同年龄组之间有所不同，也可能对普通感冒冠状病毒-新型冠状病毒交叉反应性有所了解。尽管在新冠肺炎疫情之前，儿童患普通感冒冠状病毒的比例最高，但在新型冠状病毒疫情的早期“浪潮”中，他们感染新型冠状病毒的可能性最小，仅占2020年初确诊病例的1-3%。尽管不同年龄组的无症状感染率和社会隔离率的差异可能会混淆这种负相关，但有趣的是，在新冠肺炎疫情之前进行的三项独立研究中，发现与其他年龄组相比，5岁以下儿童的β-CoV HCoV-OC43感染率最高，这是一种与新型冠状病毒病毒关系最密切的普通感冒冠状病毒。相比之下，与儿童相比，65岁以上的人α-CoV 229E的患病率最高，而普通感冒冠状病毒的总体患病率较低。因此，与新型冠状病毒交叉反应的预先存在的β-CoV免疫反应增加，或β-CoV和新型冠状病毒之间的生态位竞争，可能与年轻年龄组感染率和疾病严重程度的降低有因果关系，而老年人暴露于α-CoV HCoV-229E(与新型冠状病毒具有低同源性)则保护作用较低。

交叉反应免疫反应已在不同年龄组中直接测量，并可用于支持或反驳这些流行病学关联。在疫情之前的样本中，已经表明，与成人相比，儿童中预先存在的新型冠状病毒刺突蛋白交叉反应IgG的量级更高，并且针对新型冠状病毒刺突蛋白结构域产生的交叉反应抗体可以在体外中和新型冠状病毒感染，这可能解释了儿童对新型冠状病毒病毒感染和新冠肺炎病毒严重程度的增强保护。在研究特定年龄组的免疫球蛋白亚群和功能时，已经表明与新冠肺炎恢复期儿童相比，新冠肺炎恢复期老年人对新型冠状病毒普通感冒冠状病毒保守区(S2和核衣壳蛋白)有更高水平的类别转换(免疫球蛋白A (IgA)和IgG)抗体应答。然而，儿童对新型冠状病毒RBD和S1有更多的功能性反应(Fc介导的吞噬作用)。这表明，在一生中反复感染普通感冒冠状病毒可能会使普通感冒冠状病毒产生的抗体偏向于一种更具类别转换性的状态，但与儿童相比，其功能交叉反应性较低。与新型冠状病毒S2交叉反应的高亲和力和功能性CD4+ T细胞的频率也显示出与年龄显著降低。这可能反映了免疫活性的年龄相关性下降(通过胸腺退化、免疫发生和T细胞受体(TCR)多样性减少 )，以及普通感冒冠状病毒患病率的年龄相关性分布。在小鼠中观察到CD4+ T细胞功能随年龄而降低的类似现象，其中老年小鼠胸腺退化和TCR库多样性降低与对甲型流感病毒产生新反应和免疫的能力降低相关。在这种情况下，与疫情早期的老年人相比，幼儿和成人中交叉反应性CD4+ T细胞频率的增加可能有助于他们增强对严重新冠肺炎的保护作用。

一个研究普通感冒冠状病毒交叉反应性和新型冠状病毒发病率年龄分布之间关系的模型表明，以前感染普通感冒冠状病毒的交叉保护不足以解释新型冠状病毒感染发病率的年龄差异、，但可能是儿童易感性降低的原因。总的来说，这些数据表明先前普通感冒冠状病毒s感染与新型冠状病毒严重程度降低之间可能存在相关性。然而，确定地方性普通感冒冠状病毒患病率和新冠肺炎病预后之间的因果关系是具有挑战性的，这是由于不同年龄人群之间存在大量混杂因素的影响，包括免疫衰老、共病、内皮损伤和血管紧张素转换酶2 (ACE2)受体密度等生理变化新冠肺炎疫苗接种率和新型冠状病毒变异流行率的差异。

6.抗体和B细胞交叉反应性的队列研究

一些研究探索了交叉反应抗体和T细胞对新冠肺炎严重程度的潜在影响。尽管可以在疫情之前的样本中检测到针对新型冠状病毒刺突蛋白结构域的交叉反应性抗体，并且可以在体外中和新型冠状病毒感染(新型冠状病毒假病毒和正宗的新型冠状病毒)，关于这些是否会影响新冠肺炎的临床结果，一直存在争议。在一项大型病例对照研究中，发现新型冠状病毒感染后普通感冒冠状病毒特异性抗体水平升高；然而，基线普通感冒冠状病毒抗体滴度(在新型冠状病毒感染前测定)与预防感染或预测疾病严重程度无关。这一发现得到了第二项研究的支持，该研究同样表明，新型冠状病毒交叉反应抗体是非中和性的，不能预防新型冠状病毒感染或住院治疗。体外和临床研究表明，一些普通感冒冠状病毒新型冠状病毒交叉反应抗体在体外评估时可能具有中和能力，但其临床效果可能有限，因为总体而言，靶向交叉中和表位的广泛交叉反应记忆B细胞克隆的频率较低。

一项研究表明，普通感冒冠状病毒交叉反应抗体可能对新冠肺炎的严重程度有不利影响。在这项回顾性横断面研究中，研究表明，在致死性新冠肺炎中，对HCoV-OC43刺突蛋白的抗体反应与新型冠状病毒刺突蛋白反应性抗体相关，与需要进入重症监护病房但存活的新冠肺炎患者相比，死于新冠肺炎的患者中新型冠状病毒刺突蛋白靶向抗体的水平降低。这得到了另一项研究的支持，该研究表明，与疫情之前评估的其他个体或轻度至重度新冠肺炎患者相比，重症新冠肺炎患者的抗HCoV抗体水平更高。一种可能的解释是，与非致死性严重新冠肺炎相比，致死性新冠肺炎患者对新型冠状病毒的新生反应降低，新反应的新生被预先存在的HCoV-OC43交叉反应抑制。然而，这些研究没有直接调查预先存在的交叉反应性抗体对新冠肺炎严重程度的影响，普通感冒冠状病毒交叉反应性和致命结果之间的因果关系仍然不清楚。此外，与非致死性疾病患者相比，致死性新冠肺炎患者的中位年龄没有得到控制，这可能会混淆观察结果。为了确定交叉反应抗体在新型冠状病毒感染中的有害作用，必须进行进一步的工作来解释这种现象的机制(例如抗体依赖性增强或降低的从头新型冠状病毒反应)。到目前为止，几乎没有证据表明在新型冠状病毒感染中存在抗体依赖性的增强作用，无论是否存在预先存在的新型冠状病毒交叉反应抗体。

总的来说，纵向队列研究或人群水平研究没有证据表明预先存在的新型冠状病毒交叉反应抗体会加重新冠肺炎。相反，目前的证据表明，交叉反应抗体形成了对新型冠状病毒的免疫反应的一部分，与从头反应一起。然而，由于预先存在的抗体水平较低，它们在很大程度上决定了新冠肺炎的临床结果。这些结论没有为有害的抗体介导的交叉反应性提供任何令人信服的证据，这意味着不应采用使用普通感冒冠状病毒交叉反应性抗原的疫苗策略。与此一致，设计用于靶向不同新型冠状病毒VoC的泛冠状病毒疫苗的开发目前是学术和工业实验室中研究的激烈领域。

7.T细胞交叉反应性的队列研究

几项研究调查了新型冠状病毒交叉反应性T细胞对新冠肺炎严重程度和新型冠状病毒感染的影响，越来越多的证据表明这些细胞具有有益的作用。在两项独立的研究中发现了交叉反应性T细胞，这种细胞有可能在血清转化前预防新型冠状病毒感染。第一项研究表明，在高度暴露于新型冠状病毒病毒的医护人员中发现的新型冠状病毒交叉反应性T细胞与先天免疫标记物(IFNα-诱导蛋白27；IFI27)，其可用作早期新型冠状病毒感染的替代标记。作者提出，T细胞对NSP12(一种与普通感冒冠状病毒s具有高度序列同源性的蛋白质)的反应与“流产”感染相关，因此新型冠状病毒感染在血清转化或PCR阳性之前被清除。类似地，响应于具有高CCC同源性的新型冠状病毒肽库(主要位于刺突蛋白之外的区域，包括ORF1、4、6、7和8、核衣壳蛋白和包膜蛋白)而产生IL-2的CD4+ T细胞已经与在与新型冠状病毒感染个体密切接触的人中保护免受PCR阳性新型冠状病毒感染相关。在这项研究中，确定了几种抗原肽，它们类似于Swadling等人报道的卫生保健工作者研究中与流产T细胞感染相关的NSP12表位。共同表明对NSP12的交叉反应性可能在防止感染中起重要作用。

轻度新型冠状病毒感染中CD8+ T细胞早期激活的间接证据支持交叉反应性记忆T细胞在新型冠状病毒感染早期被募集和激活的概念。几项研究发现，在严重新冠肺炎患者中发现了新型冠状病毒特异性T细胞的延迟发作和微弱诱导以及新型冠状病毒反应性T细胞的早期诱导与轻度新冠肺炎相关—可能是交叉反应性记忆T细胞反应募集的结果(尽管这些研究中没有证明)。一项研究提供了更直接的证据，该研究表明，与轻度新冠肺炎患者相比，新冠肺炎住院患者结合HLA-DR限制性交叉反应表位的CD4+ T细胞频率较低，并且患有严重新冠肺炎的个体中的CD8+ T细胞应答所针对的表位与患有轻度新冠肺炎的个体中的CD8+ T细胞应答所针对的表位相比，与HCoVs的相似性平均较低。最近，免疫显性CD4+ T细胞表位(S816–830)在新型冠状病毒S2融合蛋白结构域中的重要作用被报道。大多数受感染的供体产生了对该表位的高亲和力反应，这些感染前交叉反应性T细胞的频率与感染后S1靶向IgG和中和抗体的滴度呈正相关62。对该表位的反应在单个患者中进一步突出，在新型冠状病毒感染前6年检测到对S816–830表位特异的交叉反应性CD4+ T细胞，随后在新型冠状病毒感染后增强。

T细胞亲和力在新冠肺炎患者临床结果中的作用也在其他地方进行了研究，表明与轻度疾病患者相比，住院的重度新冠肺炎患者中新型冠状病毒特异性低亲和力T细胞丰富。住院患者的低亲和力反应与普通感冒冠状病毒交叉反应没有直接或因果联系，尽管感染前的交叉反应新型冠状病毒反应已被证明相对于对新型冠状病毒肽特异的T细胞具有较低的亲和力。为了完全解决因果关系，需要纵向研究评估新型冠状病毒感染前后普通感冒冠状病毒 T细胞的反应性和亲和力，与新冠肺炎严重程度相关。

8.普通感冒冠状病毒之外的交叉反应的影响

目前的数据支持这样的假设，即新型冠状病毒感染中的有益免疫交叉反应也可能来自HCoVs以外的来源，并且已经提出了来自记忆T细胞的对不相关病原体的交叉反应免疫应答。在一项研究中，自我报告的麻疹、腮腺炎、风疹(MMR )，而非卡介苗或乙肝疫苗接种与较不严重的新冠肺炎相关。另一项研究表明MMR疫苗诱导的抗体的存在与新冠肺炎较好的预后相关。最近的数据表明，MMR和破伤风/白喉/百日咳(Tdap)疫苗的接受者与正在康复的或接种了新冠肺炎疫苗的人具有相同的TCR克隆型。这可能解释了为什么接种MMR或Tdap疫苗与新冠肺炎患者住院率降低、重症监护室(ITU)护理和/或死亡相关，特别是在校正其他混杂因素后的女性患者中。在这些研究中，MMR和Tdap疫苗剂量与新型冠状病毒阳性试验之间的时间间隔与结果没有显著关联。鉴于MMR疫苗在严重新冠肺炎高患病率情况下的广泛部署，MMR交叉反应不太可能是疾病严重程度分层的主要因素，尽管在没有广泛暴露于交叉反应抗原(如MMR)的全球背景下，新冠肺炎严重程度可能严重得多。需要对MMR疫苗覆盖率低的人群的新冠肺炎严重程度/死亡率进行进一步研究，以充分了解这种交叉反应在新冠肺炎的作用。

以前对呼吸道病原体的反应介导的异源体液反应也可能有助于新冠肺炎的某种保护作用。一项研究表明，与轻度新冠肺炎患者相比，新冠肺炎患者对鼻病毒、流感病毒和肠道病毒的抗体反应较弱。

9.交叉反应免疫应答对新冠肺炎疫苗接种的影响

先前存在的交叉反应性新型冠状病毒免疫反应对新冠肺炎疫苗接种结果的影响是非常令人感兴趣的，但迄今为止很少有研究进行过调查。其中一项是对35名预先存在交叉反应刺突蛋白特异性CD4+ T细胞的个体的纵向研究，该研究调查了对低剂量mRNA-1273疫苗接种的反应。这里，与没有预先存在交叉反应性CD4+ T细胞的个体相比，在第一剂和第二剂疫苗后，参与者具有显著更高频率的新型冠状病毒刺突蛋白特异性和多功能CD4+ T细胞(产生多种细胞因子),并且这些频率在疫苗接种后6个月内保持较高。与没有交叉反应性CD4+ T细胞的受试者相比，滤泡辅助性T细胞(TFH细胞)在具有预先存在的交叉反应性CD4+ T细胞的受试者中也显著增加，这与在具有预先存在的新型冠状病毒S特异性交叉反应性CD4+T细胞的受试者中第二次接种疫苗后15天刺突蛋白特异性IgG和RBD特异性IgG增加相对应。这表明，在新冠肺炎疫苗接种后，预先存在的新型冠状病毒刺突蛋白特异性交叉反应性CD4+ T细胞促进了适应性免疫反应的协调增强。

与没有预先存在交叉反应性T细胞反应的个体相比，对新型冠状病毒S2病毒预先存在交叉反应性CD4+ T细胞反应的受试者在第一剂BNT162b2疫苗接种后也显示出产生更高的功能性亲和力。有趣的是，在疫苗接种后对新型冠状病毒S2的早期(第0-7天)T细胞反应中，高达100%的CD4+ T细胞反应针对S816-830表位，这表明这种交叉反应表位是新冠肺炎疫苗接种早期CD4+ T细胞反应的主要因素。此外，对T细胞在HIV感染者中对疫苗ChAdOx1 nCov-19的作用的研究发现，与那些在基线时没有增殖的新型冠状病毒特异性T细胞的人相比，具有基线(接种疫苗前)新型冠状病毒特异性CD4+ T细胞增殖反应的新型冠状病毒血清阴性个体在接种疫苗后具有显著更高比例的增殖T细胞对新型冠状病毒肽的反应。总之，这表明，在新冠肺炎疫苗接种后，预先存在的新型冠状病毒刺突蛋白特异性交叉反应性CD4+ T细胞促进了适应性免疫反应的协调增强。

在评估对新冠肺炎疫苗的体液反应时，已经表明基线时的交叉反应性抗体反应与接种后的新型冠状病毒抗体反应不相关。在小鼠中的后续研究显示，在用重组新型冠状病毒刺突蛋白免疫前4周，用来自OC43、HKU1、229E或NL63的刺突蛋白免疫的动物显示显著较低水平的新型冠状病毒RBD靶向的和新型冠状病毒假中和抗体比没有服用过普通感冒冠状病毒的老鼠要多。总体而言，疫苗反应中的交叉反应性数据类似于新型冠状病毒感染中描述的数据，其中对疫苗的交叉反应性免疫反应的临床影响主要由T细胞介导，而不是抗体。

10.新型冠状病毒变体之间的交叉反应性

在广泛接种新型冠状病毒疫苗和感染新出现的新型冠状病毒变种的背景下，冠状病毒交叉反应的情况已经发生了变化。虽然普通感冒冠状病毒与新型冠状病毒的交叉反应现象是在人群零暴露于新型新型冠状病毒病毒的背景下出现的，但与随后的新型冠状病毒变异体的交叉反应现在存在于暴露于各种新型冠状病毒疫苗和变异体的人群的异质背景下。很可能这些暴露的精确组合决定了个体中存在的交叉反应性记忆免疫库的组成，并且随后的新型冠状病毒感染的结果由这些较早的组合暴露决定。最近的一项小规模但详细的研究强调了这一点，该研究显示，在英国第一波新型冠状病毒感染中首先感染武汉-Hu-1新型冠状病毒，然后感染Omicron (B.1.1.529，BA.1)的三联疫苗接种的卫生保健工作者对Omicron刺突蛋白的抗体和T细胞应答水平低于最初未感染武汉-Hu-1新型冠状病毒的个体。该研究表明，通过暴露于新型冠状病毒的祖先菌株的免疫印迹削弱了对新型冠状病毒的不同变体的交叉反应性。鉴于源自普通感冒冠状病毒s的交叉反应性T细胞似乎增强了对新型冠状病毒病毒感染或疫苗接种的功能性T细胞应答令人惊讶的是，新型冠状病毒变体的免疫印迹削弱了对随后异源感染的免疫反应——特别是考虑到新型冠状病毒变体之间相对较高的同源性。此外，最近的流行病学证据表明，在随访开始后135天，同时接种非Omicron变异体和Omicron变异体(“双重接种”)的未接种个体再次感染Omicron BA.2/4/5的可能性几乎是那些仅接种早期Omicron感染(“Omicron接种”)的个体的一半，调整后的再感染风险比为0.52(95% CI 0.40–0.68)。为了更好地理解免疫印记对随后针对新型冠状病毒感染和疫苗的免疫反应的影响，需要对不同历史变异暴露背景下的免疫库进行详细的表征。这里提出的免疫学和流行病学研究的矛盾证据表明，尽管可测量的免疫反应可能受到免疫印迹的负面影响，但这并不意味着对感染的保护作用减弱。

在疫苗的情况下，这些复杂的多种新型冠状病毒变种暴露史也应该考虑。在评估2022年4月10日后通过PCR检测新型冠状病毒的363，646名个体的新冠肺炎疫苗效力时，发现与单独接种三剂mRNA新冠肺炎疫苗相比，除了接种三剂mRNA新冠肺炎疫苗外，先前用Omicron BA.1或BA.2进行PCR阳性感染可减少Omicron BA.5 PCR阳性再感染。与单独接种疫苗相比，以前感染Delta或Alpha VoCs，再加上三次接种疫苗，可提供针对BA.5的额外保护(Delta 46.9%(95% CI 27.0–61.3)和Alpha 65.4%(95% CI 49.8–76.2))，尽管Delta和Alpha VoCs感染的额外保护低于Omicron感染。与BA.1/2相比，α波和δ波出现得更早，先前感染这些变异体所提供的额外保护作用可以合理地与再感染之间的时间有关。然而，事实上α感染比δ感染发生得早，并且对BA.5的再感染提供了更多的保护，这表明情况并非如此。

迄今为止，广泛使用的新冠肺炎疫苗仅使用刺突蛋白作为疫苗抗原。在广泛接种疫苗的环境中，新型冠状病毒变异体已经进化出主要位于刺突蛋白RBD中免疫显性表位的突变，以逃避免疫。相比之下，已确定的普通感冒冠状病毒和新型冠状病毒之间的交叉反应区域位于RBD以外的区域，这些区域在新型冠状病毒变异体之间基本保持不变(补充表1)。很可能普通感冒冠状病毒交叉反应的这些区域没有突变，要么是因为它们在新型冠状病毒病毒复制或适应中起关键作用，要么是因为它们没有受到这样做的选择压力。无论哪种方式，新型冠状病毒变异体和普通感冒冠状病毒之间交叉反应表位的保留突出了这些区域作为泛冠状病毒疫苗设计的重要靶标。目前正在开发使用这些保守区域作为免疫原的多种候选疫苗，最近的研究表明，靶向新型冠状病毒刺突蛋白S2结构域保守区域的抗体能够中和hACE2受体结合，并在临床前小动物攻击模型中保护免受新型冠状病毒症状感染，并且针对S2茎螺旋保守序列产生的抗体广泛中和β-cov。

在缺乏泛冠状病毒疫苗的情况下，政府取消减少新型冠状病毒病毒传播的命令意味着，包括普通感冒冠状病毒在内的其他病毒的传播可能会增加。因此，新型冠状病毒和这些病毒之间的交叉反应仍与新冠肺炎的结果相关。考虑到潜力反向升压未来普通感冒冠状病毒感染增强对新型冠状病毒的免疫反应，普通感冒冠状病毒的反复季节性感染可能为新型冠状病毒免疫反应提供无害的增强剂。此外，这种重复暴露可能优先增强对冠状病毒之间保守的表位的交叉反应性反应，潜在地增强泛冠状病毒免疫反应。广泛的新型冠状病毒免疫对普通感冒冠状病毒s的季节性和流行性的相互作用也将为我们提供这些病毒之间交叉反应的重要信息。

11.结论

我们评估了评估普通感冒冠状病毒和新型冠状病毒免疫交叉反应性在新型冠状病毒感染和疫苗结果中的作用的现有证据，并提供了一份经过实验验证的新型冠状病毒交叉反应性T和B细胞表位的详细表格(补充表1)。我们的分析表明，预先存在的交叉反应性T细胞可能对新冠肺炎提供一些保护，然而没有数据令人信服地表明交叉反应性抗体在新冠肺炎临床结果中的作用。类似地，在接种疫苗前可检测到的通感冒冠状病毒交叉反应性CD4+ T细胞可增强对基于mRNA和基于病毒载体的疫苗的反应，而预先存在的交叉反应性抗体反应可通过接种疫苗增强，但其本身不会增强整体疫苗抗体滴度。尽管有证据表明交叉反应性T细胞可能对其他病毒家族继发感染的结果有害，并且一些非常规或低亲和力的常规T细胞群体可能与严重疾病有关，但迄今为止，几乎没有证据表明预先存在的交叉反应性T细胞在加重新冠肺炎方面的作用。。

调查普通感冒冠状病毒感染对新冠肺炎未来临床结果的影响将是复杂的。新型冠状病毒和新冠肺炎疫苗在全球的高暴露水平意味着几乎不可能设计研究来调查没有暴露于新型冠状病毒抗原的个体的交叉反应反应。然而，多种因素可能有助于个体产生交叉反应的能力，包括病毒的传染性和属(HCoV或其他)、不同病毒感染之间的时间关系、限制抗原呈递至T细胞的HLA同种异型、年龄(免疫学和生物学)和新型冠状病毒暴露的历史，其中每一种都可能有助于免疫反应的质量和数量。

在不同新型冠状病毒变异体重复感染的情况下，对核心共同核心抗原、新冠肺炎疫苗和新型冠状病毒变异体的交叉反应性记忆反应可能会形成一个交叉反应性反应池，为未来的变异体提供一些保护。在这里，不同感染的确切顺序和组成可能在决定免疫反应预防症状性新型冠状病毒感染的功效中起作用。目前正在研究通过靶向冠状病毒中保守的区域来利用普通感冒冠状病毒和新型冠状病毒变异体免疫交叉反应性的新疫苗，并可能提供一种保护人群免受未来冠状病毒大流行的方法。

参考

Murray SM, Ansari AM, Frater J, Klenerman P, Dunachie S, Barnes E, Ogbe A. The impact of pre-existing cross-reactive immunity on SARS-CoV-2 infection and vaccine responses. Nat Rev Immunol. 2022 Dec 20:1–13. doi: 10.1038/s41577-022-00809-x. Epub ahead of print. PMID: 36539527; PMCID: PMC9765363.