CD4+ and CD8+ T cells and antibodies are associated with protection against Delta vaccine breakthrough infection: a nested case-control study within the PITCH study
一、引言
新型冠状病毒（SARS-CoV-2）疫苗的问世为控制 COVID-19 大流行提供了关键策略。然而，随着新变种的不断出现，疫苗突破感染（即完成疫苗接种后仍发生感染）的情况时有发生。理解疫苗突破感染的免疫相关因素，对于优化疫苗接种策略、开发新型疫苗以及预测疫情走向具有重要意义。本文献是一项在英国 PITCH（Protective Immunity from T Cells in Healthcare Workers）研究框架内开展的嵌套病例对照研究，旨在探讨 CD4+ 和 CD8+ T 细胞以及抗体在预防 Delta 变种疫苗突破感染中的作用。
二、研究背景
疫苗接种后，虽然体液免疫（如中和抗体）在预防 SARS-CoV-2 感染中起重要作用，但 T 细胞免疫在控制病毒感染和减轻疾病严重程度方面同样不可忽视。既往研究表明，SARS-CoV-2 特异性 CD4+ 和 CD8+ T 细胞反应与疾病严重程度相关，且 T 细胞对病毒变种的交叉反应性可能有助于疫苗的持续有效性。然而，T 细胞在预防疫苗突破感染中的具体贡献，尤其是 CD4+ 和 CD8+ T 细胞的各自作用，尚未完全明确。
三、研究方法
（一）研究人群
研究纳入了 PITCH 队列中的 279 名志愿者。病例组为在 Delta 变种流行期间（2021 年 6 月 10 日至 11 月 27 日），完成两剂疫苗接种后 SARS-CoV-2 PCR 或侧流装置（LFD）检测呈阳性的 32 名参与者；对照组为在此期间未报告阳性检测结果且未出现抗核衣壳蛋白 IgG 血清转换的 247 名参与者。
（二）免疫反应评估
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抗体检测 ：使用 MSD 多重免疫分析技术检测针对 SARS-CoV-2 刺突蛋白（S）、受体结合域（RBD）和核衣壳蛋白（N）的 IgG 结合抗体滴度。同时，采用活病毒微量中和试验（LV-MN）测定对原始毒株和 Delta 变种的中和抗体（NAb）滴度。
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T 细胞检测 ：通过 IFNγ ELISpot 测定法评估 PBMC（外周血单个核细胞）对 SARS-CoV-2 刺突蛋白（S1、S2 和总 S）以及膜蛋白（M）和核衣壳蛋白（N）肽池的 IFNγ T 细胞反应。进一步利用细胞内细胞因子染色（ICS）技术检测 CD4+ 和 CD8+ T 细胞对 Delta 刺突蛋白肽池的 IFNγ 和肿瘤坏死因子（TNF）反应。
（三）统计分析
采用非参数检验（如 Mann-Whitney U 检验、Wilcoxon 配对符号秩检验）比较病例组和对照组之间的免疫反应差异，并使用 Fisher 精确检验分析疫苗突破风险与抗体及 T 细胞反应的联合效应。
四、研究结果
（一）突破感染的流行病学特征
在 2021 年 6 月 10 日至 11 月 27 日 Delta 变种流行期间，PITCH 队列共报告 36 例疫苗突破感染。这些参与者接种了两剂 SARS-CoV-2 疫苗，其中 72.2% 接种的是 BNT162b2（辉瑞 / BioNTech），27.8% 接种的是 AZD1222（牛津 / 阿斯利康）。突破感染者的中位年龄为 43 岁，83.3% 为女性，93.3% 为白人。从第二剂疫苗接种到 PCR 或 LFD 检测呈阳性的时间中位数为 156 天。
（二）既往感染对疫苗突破的影响
与对照组相比，无既往 SARS-CoV-2 感染史的个体发生疫苗突破感染的几率更高（P = 0.0009）。这表明既往感染可为个体提供一定的保护，降低突破感染的风险。
（三）抗体反应与疫苗突破的关系
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病例组在接种第二剂疫苗后 28 天（V2 +28）的抗 S、抗 RBD 和抗 N IgG 结合抗体滴度均低于对照组（P 分别为 0.001、0.003 和 0.002）。
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在部分病例和对照中进行的中和抗体检测显示，两组针对原始毒株的中和抗体滴度无显著差异，但针对 Delta 变种的中和抗体滴度均低于原始毒株，且病例组的中和抗体滴度有下降趋势。
（四）T 细胞反应与疫苗突破的关联
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IFNγ ELISpot 检测结果 ：病例组在 V2 +28 时的 S1、S2 和总 S 特异性 IFNγ T 细胞反应低于对照组（P 分别为 0.016、0.028 和 0.014）。然而，当根据既往感染状态对个体进行分层后，这种差异不再具有统计学意义，这可能是由于样本量减小以及未测量的免疫反应（如黏膜免疫）的混杂效应。
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ICS 分析结果 ：在进一步分析的病例和匹配对照中（均为疫苗接种前无 SARS-CoV-2 感染史），病例组对 Delta 刺突蛋白肽池的 CD4+ 和 CD8+ T 细胞 IFNγ 和 TNF 反应低于对照组。对于 CD4+ T 细胞，对原始毒株和 Delta 刺突蛋白肽池的 TNF 和 IFNγ 表达频率在病例组中低于对照组，差异具有统计学意义（TNF 对原始毒株：P = 0.004；IFNγ 和 TNF 对 Delta 刺突蛋白：P 分别为 0.010 和 0.030）。对于 CD8+ T 细胞，病例组对 Delta 刺突蛋白肽池的 IFNγ 和 TNF 表达频率低于对照组（P 分别为 0.034 和 0.013），且这种差异似乎是由于病例组对 Delta 刺突蛋白的反应低于原始毒株，而对照组未出现这种现象。
（五）抗体与 T 细胞反应的联合效应
将抗 S IgG 滴度和总 S 特异性 IFNγ 反应根据中位数分为 “高” 和 “低” 两组，分析发现，高 IgG 和高 IFNγ 反应组的疫苗突破感染率最低，显著低于低 IgG 和低 IFNγ 反应组（P = 0.003）。具有高 IgG 和低 IFNγ 反应或低 IgG 和高 IFNγ 反应的个体疫苗突破感染率介于两者之间，但无法从该分析中得出高 IgG 或高 IFNγ 反应单独对疫苗突破感染率的降低作用。
五、研究讨论
（一）T 细胞在预防突破感染中的作用
本研究结果支持 T 细胞（尤其是 CD4+ 和 CD8+ T 细胞）在预防 Delta 变种疫苗突破感染中发挥保护作用。既往研究多聚焦于 T 细胞在减轻疾病严重程度方面的作用，而本研究通过敏感的 ICS 技术进一步证实了 T 细胞对预防感染的潜在贡献。研究发现，病例组对 Delta 刺突蛋白的 CD8+ T 细胞反应下降尤为显著，提示交叉反应性 CD8+ T 细胞可能在抵御 Delta 变种感染中具有重要作用。在恒河猴模型中，疫苗诱导的 CD8+ T 细胞反应在抗体水平下降时可提供保护，防止 SARS-CoV-2 复制。
（二）抗体与 T 细胞的协同保护机制
研究显示，抗体和 T 细胞反应的联合效应可能对预防疫苗突破感染至关重要。高抗 S IgG 滴度联合高总 S 特异性 IFNγ 反应与较低的疫苗突破感染率相关。这表明，体液免疫和细胞免疫可能协同作用，共同构建抵御病毒感染的防线。在其他病毒感染（如流感病毒）的研究中也观察到类似现象，即预先存在的病毒特异性 CD8+ T 细胞反应与抗体水平共同影响感染风险。
（三）既往感染对疫苗免疫反应的影响
既往感染 SARS-CoV-2 的个体在接种疫苗后可产生更强的免疫反应，包括更高的抗体滴度和更 robust 的 T 细胞反应。这种 “混合免疫” 模式可能为个体提供更全面和持久的保护，降低突破感染的可能性。这也解释了为何无既往感染史的个体发生疫苗突破感染的风险更高。
（四）研究的局限性
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样本量限制 ：由于在 Delta 流行期间突破感染相对罕见，病例组样本量较小，这限制了对免疫反应与疫苗突破关系进行更深入分析的能力，也可能影响研究结果的普适性。
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未检测感染序例 ：研究未获取感染期间的样本以确定病毒序列信息，因此无法确定这些突破感染是否确实由 Delta 变种引起。尽管如此，在研究期间 Delta 是英国主要流行的变种，这种方法与其他研究中采用的基于感染时间推断变种的方法一致。
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未考虑特定合并症 ：研究未探讨特定合并症（如免疫抑制）作为突破感染风险因素的作用，后续的 VIBRANT 研究将重点关注这一方面。
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可能存在暴露差异 ：由于 PITCH 研究未监测个体对 LFD 和 PCR 检测建议的遵守情况，可能存在对照组的误分类。此外，不同医疗工作者角色的个体可能面临不同的 SARS-CoV-2 暴露风险，但研究未将此因素纳入分析。
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未研究黏膜免疫 ：研究未涉及黏膜免疫反应，而黏膜免疫在预防 SARS-CoV-2 感染中可能具有重要作用，尤其是对于具有混合免疫的个体。正在进行的 PITCH 研究已纳入黏膜免疫测量。
六、研究结论
本研究深入探讨了 CD4+ 和 CD8+ T 细胞以及抗体与 Delta 疫苗突破感染保护作用的相关性，得出了以下重要结论：
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既往 SARS-CoV-2 感染可显著降低疫苗突破感染的几率，提示混合免疫（既往感染联合疫苗接种）可能提供更强大的保护。
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疫苗突破感染者的抗体（包括抗 S、抗 RBD 和抗 N IgG）和 T 细胞（S1、S2 和总 S 特异性 IFNγ 反应）反应在接种第二剂疫苗后 28 天低于未发生突破感染的对照组。
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进一步分析表明，对 Delta 刺突蛋白肽池的 CD4+ 和 CD8+ T 细胞 IFNγ 和 TNF 反应在疫苗突破病例中低于对照组，且这种差异在 CD8+ T 细胞中表现为对 Delta 刺突蛋白的反应低于原始毒株。
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抗体与 T 细胞反应的联合状态与疫苗突破感染风险相关，高抗体和高 T 细胞反应者具有最低的突破感染风险。
综上所述，该研究为理解 SARS-CoV-2 疫苗突破感染的免疫学基础提供了重要证据，强调了 T 细胞（尤其是 CD8+ T 细胞）在预防感染中的潜在价值，并为未来疫苗研发和免疫策略优化提供了参考依据。随着对 SARS-CoV-2 免疫保护机制的深入研究，结合抗体和 T 细胞反应的综合评估有望成为预测疫苗效果和指导疫情防控的关键手段。
七、未来研究方向
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针对不同 SARS-CoV-2 变种（如 Omicron 及其亚变种）的疫苗突破感染，进一步验证和扩展本研究发现，探讨 T 细胞和抗体反应的交叉保护性和变异性。
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开发更敏感、可扩展的 T 细胞检测技术和免疫评估平台，以便在大规模队列研究中深入分析细胞免疫反应与疫苗保护效果的关系，为疫苗研发和免疫监测提供更精准的工具。
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探索黏膜免疫在预防 SARS-CoV-2 感染中的作用机制及其与 systemic 免疫反应的相互协作，研究通过鼻喷雾等黏膜疫苗接种方式增强黏膜免疫反应的可能性，以期构建更全面的免疫防线。
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长期跟踪疫苗接种后免疫反应的动态变化，评估免疫记忆的持久性和对反复感染的保护效力，为制定合理的疫苗加强针接种策略提供科学依据。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| V-PLEX COVID-19 Coronavirus Panel 3 (IgG) Kit (5 PL) | K15399U-2 | 5PL |
| V-PLEX COVID-19 Coronavirus Panel 3 (IgG) Kit (25 PL) | K15399U-4 | 25PL |
| STREPTAVIDIN- ALEXA FLUOR | S32354 | 0.5ML |
| V-PLEX Cytokine Panel 1 (mouse) Kit, SECTOR (1 PL) | K15245D-1 | 1PL |
