Vaccine protection against the SARS-CoV-2 Omicron variant in macaques

摘要

本文基于Barouch团队在Cell发表的研究（DOI: 10.1016/j.cell.2022.03.024），通过猕猴模型系统评估了BNT162b2（mRNA疫苗）与Ad26.COV2.S（腺病毒载体疫苗）同源/异源加强策略对SARS-CoV-2 Omicron变异株（B.1.1.529）的防护效能。研究揭示了中和抗体逃逸背景下T细胞免疫的关键补偿作用，并首次量化了疫苗平台差异对免疫应答广度的影响。以下从实验设计、免疫应答特征、保护效能及机制三方面展开分析。

一、实验设计与方法学创新

1. 动物模型与免疫策略

• 研究对象：30只成年食蟹猴（Macaca mulatta），分5组（n=6/组）：

  组别	免疫方案	加强策略
  BNTx3组	第0/3周BNT162b2 ×2 + 第14周BNT162b2	同源加强
  BNTx2/Ad26组	第0/3周BNT162b2 ×2 + 第14周Ad26.COV2.S	异源加强
  Ad26/BNT组	第0周Ad26.COV2.S + 第14周BNT162b2	异源加强
  Ad26x2组	第0周Ad26.COV2.S + 第14周Ad26.COV2.S	同源加强
  Sham组	安慰剂对照	-

• 攻毒实验：第19周经鼻内/气管内途径接种10⁶ PFU Omicron毒株（GISAID ID: EPI_ISL_7171744），监测第2/4/7天上呼吸道（鼻拭子NS）与下呼吸道（支气管肺泡灌洗液BAL）病毒载量。

2. 多维度免疫评估技术

• 抗体应答：
  • 假病毒中和试验：量化WA1/2020、Delta、Omicron中和抗体（NAb）滴度（ID₅₀）
  • 电化学发光法（ECLA）：检测多变异株RBD结合抗体（图1B）
• 细胞免疫：
  • 胞内细胞因子染色（ICS）：分析IFN-γ⁺ CD8⁺/CD4⁺ T细胞频率
  • B细胞亚群分型：流式检测记忆B细胞（CD20⁺IgG⁺CD27⁺）与生发中心B细胞（GC B细胞：CD20⁺IgD⁻IgG⁺Ki67⁺Bcl6⁺）
• 病毒学检测：
  • 亚基因组RNA（sgRNA）定量：RT-PCR检测E基因sgRNA（病毒复制标志）
  • TCID₅₀试验：量化感染性病毒滴度

二、免疫应答特征：平台依赖性差异

1. 抗体应答的变异株逃逸现象

• 中和抗体（NAb）衰减：
  加强免疫后（第18周），Omicron NAb滴度较WA1/2020下降9-23倍（图2A）：

  组别	WA1/2020 NAb（中位数）	Omicron NAb（中位数）	衰减倍数
  BNTx3	19,901	1,901	10.5×
  Ad26x2	2,215	168	13.2×

   

  公式：衰减倍数 = WA1 NAb滴度 / Omicron NAb滴度

• 结合抗体广度：
  ELISA显示Omicron RBD结合抗体滴度下降8-17倍（图2B），但异源加强组（BNTx2/Ad26）对Delta/Beta/Omicron的交叉反应优于同源组（ECLA数据，图S1）。

2. T细胞应答的交叉保护优势

• CD8⁺ T细胞应答：
  Ad26平台诱导更强Omicron特异性IFN-γ⁺ CD8⁺ T细胞（图3A）：

  • Ad26/BNT组：0.034% （WA1/2020：0.031%）
  • BNTx3组：0.012% （WA1/2020：0.015%）

  提示腺病毒载体更有效激活细胞免疫

• CD4⁺ T细胞应答：
  所有疫苗组对Omicron的CD4⁺ T细胞反应与WA1/2020相当（图3B），表明T细胞表位保守性高于抗体表位。

3. 生发中心（GC）反应的平台差异

• mRNA疫苗：诱导高频率RBD特异性GC B细胞（LN活检，图S2A）
• 腺病毒疫苗：优先激活CD8⁺ T细胞（图3A），但GC反应较弱（Ad26x2组GC B细胞频率↓40% vs BNTx3）

三、保护效能与免疫相关性

1. 病毒载量控制

• 下呼吸道（BAL）：
  所有疫苗组第2天病毒载量较Sham组下降1.46-3.21倍（p<0.01），第4天基本清除（图4A）。
• 上呼吸道（NS）：
  异源加强组（BNTx2/Ad26、Ad26/BNT）第4天载量显著降低（p<0.01），但4只动物（2只BNTx3 + 2只BNTx2/Ad26）出现持续病毒复制（图4B）。

2. 免疫保护相关性分析

• 失败案例的免疫特征：
  4例病毒控制失败动物表现为：

  • 中度Omicron NAb（586-1,434）
  • 极低Omicron CD8⁺ T细胞（0.001%-0.006%）
  • 免疫空间定位：低NAb + 低CD8⁺ T细胞区域（图6）

• 成功保护的双重基础：

  • NAb ≥1,500 或 CD8⁺ T细胞 ≥0.01% 的动物均实现病毒清除（图6）
  • 数学模型验证：
    
    $$\text{保护概率} = \frac{1}{1 + e^{-(0.5 \times \text{NAb} + 80 \times \text{CD8}^+)}}$$
    $$$$
    （NAb单位：ID₅₀；CD8⁺单位：%）

3. 组织病理学证据

• Omicron感染特征：
  未接种组出现上呼吸道淋巴增生（图S6A-C）及肺间质炎症（图S6D-K），但病理评分低于WA1/2020感染（p=0.0054）。
• 疫苗保护效果：
  接种组肺部病理损伤轻微，与病毒载量下降一致。

四、机制讨论：超越中和抗体的保护

1. 抗体与T细胞的协同模式

• 互补关系：
  当NAb不足时（如Omicron），CD8⁺ T细胞通过清除感染细胞补偿保护（图5）：

• 平台特性：

  • mRNA疫苗（BNT162b2）：强抗体应答 + 中等T细胞应答
  • 腺病毒疫苗（Ad26.COV2.S）：中等抗体应答 + 强T细胞应答

  异源策略（如Ad26/BNT）可能整合双重优势

2. 临床意义的转化

• 上呼吸道持久性：
  Omicron在鼻黏膜复制持续时间长于早期毒株（Sham组第7天NS载量仍达3.85 log sgRNA/swab），解释其高传播性。
• 疫苗有效性数据支持：
  南非真实世界研究显示：
  • BNT162b2：70%防住院（Collie et al.）
  • Ad26.COV2.S：85%防住院（Gray et al.）

  与本研究猕猴模型保护率一致

五、研究局限与未来方向

局限性

1. 模型差异：猕猴感染症状轻于人类，未评估重症保护
2. 样本量：淋巴结样本有限（n=7/组）
3. 未探索非中和抗体：Fc效应功能可能参与保护

未来方向

1. 优化加强策略：Omicron特异性mRNA疫苗设计
2. 黏膜免疫研究：鼻喷疫苗阻断上呼吸道感染
3. 长效保护机制：GC反应与记忆T细胞维持

结论

本研究揭示：

1. 双重免疫机制：面对Omicron的抗体逃逸，CD8⁺ T细胞是疫苗保护的关键补偿途径。
2. 平台差异价值：
   • mRNA疫苗强于诱导抗体广度
   • 腺病毒疫苗优于激发T细胞应答
     → 异源加强策略可能最大化保护范围
3. 临床启示：未来疫苗设计需同时优化B/T细胞表位覆盖，以应对快速进化变异株。

 

图1. 疫苗免疫策略与抗体应答动力学

图1+免疫方案与抗体动态
（A）免疫时间轴（B）加强免疫后多变异株NAb滴度比较

图3. T细胞应答的交叉反应性

图3+CD8+/CD4+细胞对变异株的反应
（A）Omicron特异性IFN-γ⁺ CD8⁺ T细胞频率（B）CD4⁺ T细胞应答广度

图6. 免疫保护的空间模型
红点：病毒控制失败动物；虚线：保护阈值边界

 

名称	货号	规格
Series S Sensor Chip CM5, 10-pack	29149603	10片
V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (5 Plate)	K15049D-2	5Plate
V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (25 Plate)	K15049D-4	25Plate