免疫印迹:了解新冠肺炎

摘要

免疫印记一般指的是先前的暴露对随后对抗原性相关病毒的免疫反应和最终保护的影响。在这里，Koutsakos和Ellebedy解释了关于印迹的不同概念和术语及其背后的基本免疫学原理。他们还讨论了印迹在新冠肺炎疫苗中的潜在作用。

印记的基本概念

在20世纪30年代做的实验中，发现幼鹅在孵化后的生命早期阶段对遇到的移动物体形成依恋，无论这些物体是它们的母亲、实验者本人还是无生命的物体。作者将这种现象描述为印记，这是心理学中的一个术语，用于描述在早期生活的关键时期通过暴露来学习行为。

在某种程度上有点像幼鹅，在初次接触病毒时，幼稚免疫系统被这种接触“印记”。它学会识别病毒中的抗原决定簇，并产生记忆细胞，在未来对抗原相关的病毒作出反应。事实上，人类对童年时期流行的流感病毒保持着终生的高抗体反应性。

这些模式被称为抗原印记、免疫印记、免疫印记或原始抗原罪(original antigenic sin (OAS))，后者是一个经常被误解的术语。在开创性流行病学研究将生命早期遇到的甲型流感病毒亚型与生命后期对严重流感感染的易感性相关联后，术语“免疫印迹”在病毒免疫学中变得流行。此外，有许多例子表明，先前接触流感如何影响随后对疫苗接种和感染的免疫反应，以及在某些情况下，再次感染后对疾病的潜在保护作用。在严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)的情况下，也提出了类似的问题。先前暴露于人类冠状病毒(hCoVs)会影响免疫反应和对新型冠状病毒感染和/或疫苗接种或新冠肺炎严重程度的易感性吗？先前暴露于一种新型冠状病毒病毒变异体是否会影响抗原漂移谱系再感染后的免疫学和/或临床结果？

暴露史的任何此类影响，即所谓的“免疫印记”，都可以分解为适应性免疫系统的基本原理，即免疫记忆和交叉反应。由此可见，暴露史可能或可能不会对疫苗设计或病毒流行病学产生(正面或负面)免疫影响和后续影响。然而，这种假设的形成，实验证据的解释，以及统一模型的综合，都受到不一致的模糊术语使用的严重阻碍。在基本免疫学原理的背景下，清晰一致的术语和对发现的解释对于理清接触史对包括新冠肺炎在内的传染病的影响是必不可少的。

原始抗原“罪”

Francis等人早在20世纪40年代就对不同年龄组的基线和疫苗接种后进行了血清学分析，得出了两个重要的观察结果:(1)所有年龄组的个体对他们在儿童期可能遇到的毒株具有最高的抗体滴度；(2)一些个体对疫苗中未包括的先前流行的(历史)甲型流感毒株具有强烈的免疫记忆回忆反应。这种反应只在历史毒株传播前后出生的个体中观察到，而在没有接触过该毒株的较年轻的个体中没有观察到。这些观察使弗朗西斯提出第一个(原来的童年遭遇的压力会留下终生的创伤抗原偏见。尽管随后的暴露拓宽了反应谱，包括了新的毒株，但对原始毒株的反应比对新毒株的反应保持在更高的水平。方济各对“罪”这个词的使用经常被认为是暗示这种现象的负面后果。然而，在上述血清学分析中，对疫苗抗原的抗体反应在各年龄组中是相似的，并且不受对原始毒株的抗体回忆的限制。重要的是，Francis提出，OAS可以为我们的利益所利用，并通过正确的疫苗配方成为一种“祝福”。

关于OAS的文献，本质上集中于流感，通常看起来是矛盾的。这是由于对“OAS”的定义不一致，以及衡量什么是OAS的方法不同。在某些情况下，OAS被研究为基线抗体滴度的偏差，在其他情况下，被研究为抗原再次暴露后抗体滴度的偏差。在后一种情况下，再暴露后的采样时间也是混杂的，较早和较晚的时间点显示出不同程度的偏差。此外，什么被认为是“偏差”变化很大，有时是指抗体对原始抗原和回忆抗原的亲和力的差异，有时是指抗体水平的定量差异，这可能被如何测量进一步混淆(例如，中和与结合或吸收测定)。然而，在其他情况下，OAS指的是召回的抗体在活生物体内但没有表现出任何可测量的在试管内在与原始抗原结合的同时与同一抗原结合。在过去的几十年中,“OAS”一词的使用非常含糊，并且由于“sin”一词的含义而容易被误解，这限制了它的使用。因此，谨慎的做法可能是避免使用这一术语，而使用定义更一致的术语，这样更不容易产生误解。

定义免疫反应的模式

术语“免疫(或免疫)印记”目前一般用于描述先前暴露对抗体和B细胞反应的影响。然而，它最初被引入来解释一种流行病学模式，其中在相似年份出生的个体(出生队列)对流感疾病表现出较低的易感性，假设这源于对生命中最早遇到的抗原的免疫，这对于给定的出生队列将是相似的。在这方面，印记指的是纳入统计模型的一个参数，该模型提出了流行病学模式的免疫学基础。

由于这项工作的影响,“免疫印记”一词越来越受欢迎，但一直被含糊地用于描述在具有不同暴露史的队列之间观察到的不同免疫反应模式。然而，值得注意的是，并非所有的免疫反应性差异都会转化为临床或流行病学差异。因此，对感染或疾病严重程度模式的不同易感性可以被认为是暴露历史在人群水平上留下的“流行病学印记”，这可能是由于潜在的免疫反应模式(图1a)。

图1在具有不同暴露史的人群中观察到的免疫学和流行病学模式

(A)具有不同暴露史的人群对抗原性相关的病毒可能呈现不同的抗体反应模式。这种免疫印记可以在免疫学数据中观察到，如血清学分析。如果这些免疫学差异转化为易感性的差异，随着时间的推移，可以在人群之间观察到疾病的不同发病率。这种“流行病学印记”可以在病例分布中观察到，通常是从将最可能的接触史与观察到的流行病学联系起来的统计模型中推断出来的。

(B)两种常见的免疫模式是抗原优先(在横断面数据中观察到)和回推(在纵向数据中观察到)。

在试图解释接触史的免疫学效应时，流感病毒免疫领域的工作引入了额外的术语，以更具体地描述抗体滴度中的一些观察到的模式。“抗原等级”是指针对个体一生中遇到的相关抗原的抗体滴度的定量定义等级。在这个层次中，生命早期遇到的抗原比生命后期遇到的抗原具有更高的地位(由针对它们的更高的抗体滴度定义)图1b)。

它主要用于横断面研究中的“稳态”滴度。它捕捉到了与弗朗西斯的OAS非常相似(如果不是相同的话)的现象，但更明显的是，它不知道任何负面的含义。“回推”指的是针对先前遇到的抗原(因此为“回推”)的抗体滴度的增加(因此为“加强”)。用于纵向研究，描述暴露于抗原相关病毒后的反应(如接种疫苗或再次感染后流感病毒的漂移版本)。

由于反向加强引起的滴度增加保持了绝对的对过去抗原的滴度高于绝对的新抗原的效价。然而效价提高 (暴露前和暴露后滴度的倍数差异) 对于来说更大新的抗原(图1b)。抗原优先和回推是基础免疫过程的表现，即交叉反应和免疫记忆回忆。

既往暴露影响背后的免疫学原理

交叉反应是反复暴露于抗原性进化病原体的免疫效应的任何检查的组成部分。它通常是由初次和再暴露抗原之间的表位保守性引起的，并可能具有以下作用。首先，通过先前暴露建立的交叉反应性记忆B细胞(MBCs)将被召回，并且可能(1)在几天内迅速分化成提供大量抗体的抗体分泌细胞，或者(2)引发生发中心反应，在接下来的几周和/或几个月内，形成B细胞库。前者在感染或接种疫苗的急性期样本中是明显的，但后者可能只有在以后获得的样本中才变得明显。因为参与的MBCs在以前和再暴露抗原之间是交叉反应的，所以对两者的抗体滴度都将增加，从而产生像加强免疫和抗原优先性这样的观察结果。

交叉反应的第二个潜在影响是抗体反馈由此预先存在的或成浆细胞衍生的交叉反应性抗体可以阻断针对抗原的相同或相邻表位的B细胞的进入。

这种表位掩蔽可以将应答的焦点转移到其它未被掩蔽的、因而是可利用的表位上。表位掩蔽通常要求被掩蔽的表位是保守的，因此随后表位焦点的转移可能产生对非保守表位的反应性。值得注意的是，除了交叉反应性MBCs的召回，有证据表明，可能的原始来源的B细胞可以参与这种对抗原再暴露的反应。当后者B细胞靶向非保守表位时，产生的抗体可以扩大反应的广度。一个关键问题是，预先存在的记忆(以抗体或MBCs的形式)可能限制的程度重新对非保守表位的反应性。例如，抗体反馈也可以促进抗原清除，减少可用于支持B细胞反应的抗原量。此外，与原始B细胞相比，亲和力成熟的MBCs在抗原结合方面可能具有竞争优势。这样，交叉反应性和记忆回忆可能会将反应集中于有限数量的表位，这可能是有害的。显然，先前的暴露通过交叉反应和回忆对随后的B细胞反应的影响是复杂的。因此，它们不能被概括为有益或有害，也不能被认为是绝对的。事实上，通过增加抗原剂量和/或加入佐剂，可以克服预存记忆带来的障碍。在考虑先前暴露的任何潜在影响时，应考虑这种复杂性。

先前暴露的好的、坏的和未知的流行病学含义

已经在流感的分子和免疫以及临床和人群水平上检查了先前暴露的影响。如果重新暴露后MBC的回忆使抗体反应集中于有限数量的表位，当这些表位获得逃逸突变且缺乏针对其他表位的抗体时，这可能增加个体对感染或疾病的易感性。也有证据表明，在过去十年中，暴露史可能对甲型流感病毒的疫苗效力产生负面影响。这种影响似乎是出生队列特有的，表明早期接触的长期影响，尽管最近接触的影响也可能在起作用。这说明了童年接触的印记可能会产生负面后果。尽管如此，早期暴露也可能对疾病产生强有力的保护作用。例如，据估计，在生命早期接触H1N1病毒会大大降低由H1N1病毒引起的需要医疗护理的流感疾病的风险，以及在生命后期由H5N1病毒引起的致命疾病的风险。

鉴于先前暴露的各种潜在影响，重要的是不要像文献中经常看到的那样，将印迹概括为产生保护性免疫的障碍。如上所述，在暴露史导致的印记与感染或疾病结果相关的情况下，免疫学数据用于理解已经观察到的流行病学模式。当尝试相反的情况时，必须考虑许多因素(即，将免疫学发现外推至潜在但未观察到的临床结果)。对一组先暴露于毒株A然后暴露于毒株B的个体(AB组)的分析通常会揭示针对A的抗体高于针对B的抗体(图2a)。这是抗原优先性的证据，但并不构成先前暴露于A对B的抗体反应有负面影响的证据。为了确定这种相互作用是否存在，分析需要包括一个未暴露于A的组(B组)，一个文献中经常缺少的比较组。当这样一个群体被包括在内时，相对于B群而言，AB群中针对B的抗体有三种可能的情况:首先，AB个体可能具有与B个体相同的抗体滴度。这表明先前暴露于A没有影响，尽管AB个体对A的滴度高于对B的滴度(抗原等级)。第二，AB个体可能比“只有B”的个体具有更高的针对B的滴度。这表明以前接触过A的免疫效果是积极的，与AB个体对A的滴度高于B无关。第三，AB个体对B的滴度可能低于“只有B”的个体。这表明以前接触过甲型流感病毒会产生免疫学上的负面影响。然而，重要的是，抗体滴度的任何差异本身都不足以得出结论，即在防止感染或疾病严重程度方面会有差异。如果考虑血清保护曲线的典型形状(图2b)中，可以注意到两个观察结果:(1)存在一个抗体水平，在该水平之上没有赋予更高的保护作用，和(2)抗体滴度的相同倍数差异可能对保护作用有非常不同的影响。两者都取决于实际的抗体水平以及抗体滴度和保护之间的关系。此外，保护作用，尤其是在疾病严重的情况下，通常是多因素的，并不总是可以归结为单一的免疫学检测。总的来说，虽然免疫学数据可能有助于制定保护假说，但在仅从观察到的研究组之间抗体反应模式的差异过度解释暴露史的潜在临床和流行病学意义时，应谨慎。

图2确定先前暴露对随后免疫反应的影响

(A)推断先前接触对随后免疫反应的任何负面影响需要适当的对照组。在A→B群中观察到针对抗原A的抗体比针对抗原B的抗体多，这不足以得出结论:先前暴露于A对随后对B的反应有负面影响。

(B)仅抗体滴度的差异不足以推断在防止感染或严重疾病方面的差异。不同抗体滴度的影响将取决于它们的绝对值以及抗体和保护之间的关系。过去的暴露会形成对新型冠状病毒的免疫力吗？

免疫印迹已被认为在对新型冠状病毒感染和疫苗接种的体液免疫反应的许多方面。这通常集中于开发中和抗体，因为它们是保护作用的既定关联。尽管如此，在考虑预防疾病时，不应忽视非中和抗体或细胞免疫的潜在作用，它们受暴露史的影响可能较小。在新型冠状病毒感染和疫苗接种后，已经观察到与hCoVs峰交叉反应的抗体的回推。然而，有有限的证据表明，这些抗体影响抗新型冠状病毒病毒中和抗体的发展，或者它们显著调节对严重疾病的易感性。

也许更相关的是抗原性漂移的新型冠状病毒变异体的背景，其中已经进行了两个相关的观察。首先，在用原始新型冠状病毒病毒(Hu-1样)(通过疫苗接种或感染)引发、然后被抗原变体感染的个体中，针对引发的Hu-1样抗原(回推)以及新的感染变体的中和抗体滴度增加。第二，用Hu-1样刺突引发，然后用变体如Delta或Omicron感染的个体，维持比感染变体更高的针对Hu-1样抗原的抗体(抗原优先)。如上所述，两者都是由Hu-1引发建立的交叉反应性MBCs回忆的表现。在不同暴露史的Omicron感染个体的队列中，很明显，通过接种疫苗预先暴露于Hu-1尖峰导致突破性感染后对Omicron的抗体滴度高于新型冠状病毒未受感染的个体。虽然在一些队列中已经观察到了由于感染而先前暴露于Hu-1峰的类似模式，但是有证据表明先前的感染可能在一定程度上导致突破性感染后针对6克隆的中和抗体滴度降低，

这需要进一步调查。尽管如此，临床和流行病学研究支持这样的观点，即任何先前通过感染和/或接种疫苗而暴露于新型冠状病毒对减轻随后感染的疾病严重程度具有积极影响。重要的是，在奥米克隆突破感染后的稍后时间点，召回的交叉反应性抗体显示出对奥米克隆的亲和力和中和效力增加，表明召回的MBC适应再暴露抗原。

随着抗原变异体的加强免疫变得越来越普遍，考虑以前的暴露如何影响这种疫苗的结果也很重要，至少在免疫学水平上是如此。一个关键的问题是用同源抗原免疫是否可以产生对非保守表位的反应，或者记忆回忆是否将集中于对保守表位的免疫反应。令人鼓舞的是，对先前接种或感染的个体施用二价疫苗，包括BA.5抗原，产生针对更现代和抗原性更先进的变体的中和活性。在分子水平上，用Omicron抗原免疫诱导具有以下特征的抗体重新对突变表位的反应模式,可能反映了幼稚B细胞的募集。现有数据表明，通过感染或疫苗接种暴露于抗原性漂移的新型冠状病毒，通过回忆交叉反应记忆和/或产生重新反应性。

概述

暴露史会影响抗原相关病毒暴露后的后续免疫反应，并可能影响疾病防护。在抗体反应性的分析中可以观察到免疫学模式，如抗原优先和回推。相比之下，在具有不同暴露史的人群之间，可以观察到疾病易感性的流行病局部模式。先前暴露的这些影响来自基本的免疫过程，即交叉反应和免疫记忆的回忆。暴露史的免疫学效应需要仔细考虑，使用清晰一致的术语，并且在推断这种免疫学差异对临床结果的影响时要谨慎。对这些免疫现象和潜在机制的更好理解可能为开发针对抗原性高级变异体的新冠肺炎疫苗提供有用的见解。

Koutsakos M, Ellebedy AH. Immunological imprinting: Understanding COVID-19. Immunity. 2023 Apr 19;56(5):909–13. doi: 10.1016/j.immuni.2023.04.012. Epub ahead of print. PMID: 37105169; PMCID: PMC10113596.