Durable protection against the SARS-CoV-2 Omicron variant is induced by an adjuvanted subunit vaccine

摘要

本研究通过恒河猴模型评估了AS03佐剂化的RBD-I53-50纳米颗粒疫苗对SARS-CoV-2 Omicron变体的保护效力。结果显示，两剂基础免疫后第41周加强接种（RBD-Wu或RBD-β）可诱导针对Omicron的高水平中和抗体（伪病毒中和GMT 7077；活病毒中和GMT 4527），并在加强后6个月仍维持显著保护效果（肺部病毒载量降低20倍）。黏膜抗体反应与系统免疫高度相关（BAL与血清IgG Spearman r=0.89），记忆B细胞表型从静息态（CD21+/CD27+）向活化态（CD21-/CD27+）转化。攻毒实验证实，加强免疫后6周可实现肺部完全病毒清除（5/5动物），而6个月后仍能抑制87.5%的肺部病毒复制（7/11动物无病毒检出）。该研究为亚单位疫苗应对变异株提供了关键实验依据。

引言：变异株挑战与疫苗研发需求

COVID-19大流行中，Omicron（B.1.1.529）因其刺突蛋白携带超过30个突变，显著逃逸现有疫苗诱导的中和抗体。临床数据显示，辉瑞mRNA疫苗对Omicron的中和效力在接种5-6个月后降至8.8%（Andrews et al., 2022）。本研究基于前期发现的RBD-I53-50纳米颗粒平台（Walls et al., Cell 2020），结合AS03（α-生育酚/角鲨烯水包油乳液）佐剂系统，探索其对Omicron的交叉保护机制。AS03已证明可通过激活TLR4通路增强Th1/Th2平衡应答（O'Hagan et al., Expert Rev Vaccines 2013），但其在变异株防护中的持久性尚未明确。

材料与方法

1. 实验设计与分组

• 动物模型：21只印度恒河猴（Macaca mulatta），年龄5-15岁，分4组：
  • G1：RBD-Wu初免（D0/D21）+ RBD-Wu加强（D41）（n=5）
  • G2：RBD-Wu初免 + RBD-β加强（n=5）
  • G3：HexaPro初免 + RBD-β加强（n=6）
  • 对照组：未接种（n=5）
• 免疫原：
  • RBD-I53-50纳米颗粒：含受体结合域（RBD）的24聚体蛋白结构（图1A）
  • HexaPro：六脯氨酸稳定的全长刺突蛋白
• 免疫程序：50μg抗原 + AS03（人用等效剂量），肌注
• 攻毒：2×10⁶ PFU Omicron（BA.1）经鼻内/气管内接种

2. 免疫应答评估

• 体液免疫：
  • 结合抗体：MSD电化学发光法检测血清/BAL中抗S-IgG
  • 中和抗体：
    • 伪病毒中和（pVNT）：VSV-ΔG-GFP报告系统
    • 活病毒中和（FRNT）：Vero E6-TMPRSS2-ACE2细胞焦点减少试验
• 细胞免疫：
  • T细胞：胞内因子染色（ICS）检测IL-2/IFN-γ/IL-4分泌
  • B细胞：流式检测CD20⁺IgD⁻IgM⁻Spike⁺记忆B细胞
• 病毒载量：
  • qRT-PCR检测BAL（下呼吸道）和鼻拭子（上呼吸道）sgRNA

3. 统计模型

• 抗体衰减动力学：幂律衰减模型（Power-law decay）拟合半衰期
  $$\frac{}{}$$
• $$\frac{dAb}{dt} = -k \cdot t^{-1} \cdot Ab$$
  
• 因果推断：孟德尔随机化验证IL-6R靶点（rs7529229 SNP）

结果

1. 体液免疫应答特征

1.1 血清抗体动力学

• 基础免疫后：两剂RBD-Wu+AS03诱导针对祖先株的高中和抗体（活病毒GMT 3626），但对Omicron中和微弱（GMT<100）（图1B-C）。
• 加强免疫后：
  • RBD-Wu加强组：抗Omicron活病毒中和GMT升至7077（21天）
  • RBD-β加强组：交叉中和效力相当（GMT 71244 vs 12172，p>0.05）（图1D-E）

图一

 

• 持久性：抗体半衰期（t₁/₂）经幂律模型计算：

  免疫阶段	靶标	t₁/₂（天）	95%CI
  基础免疫	祖先株	65	62-89
  加强免疫	Omicron	134	98-171

1.2 黏膜免疫应答

BAL中抗S-IgG与血清滴度显著相关（r=0.89, p<0.001）：

• 加强后21天：BAL抗Omicron IgG达56 AU/μg（图2A）
• 6个月后：仍维持15 AU/μg（4倍衰减），表明黏膜记忆持久

图二

2. 细胞免疫应答

2.1 T细胞应答

• CD4⁺ T细胞：以Th1（IL-2⁺/IFN-γ⁺）为主（70%），Omicron刺激后应答保留85%（vs 祖先株）（图3F）
• 滤泡辅助T细胞：检测到IL-21⁺CD154⁺ TFH细胞（图3G），提示生发中心形成

 

图三

 

2.2 B细胞记忆重塑

• 加强免疫后：Spike特异性记忆B细胞频率增加10倍（0.021%→0.21%）
• 表型转换：静息态（CD21⁺CD27⁺）→活化态（CD21⁻CD27⁺）（图4B）
• 交叉反应性：>50%记忆B细胞同时结合祖先株/Omicron/Beta刺突蛋白（图4C）

3. 攻毒保护效果

3.1 早期保护（加强后6周）

• 肺部：5/5动物BAL病毒完全清除（sgRNA未检出）
• 上呼吸道：鼻拭子峰值病毒载量中位数7567拷贝/mL（对照组1.3×10⁷）（图5B）

3.2 持久保护（加强后6个月）

• 肺部：7/11动物无病毒检出，4/11载量下降20倍（中位数33845 vs 59000拷贝/mL）（图5D）
• 病毒清除动力学：鼻拭子病毒在7天内降至检测限以下（图5C）

讨论

1. 核心发现与机制

本研究首次证实：

1. 交叉保护基础：RBD-β加强虽未匹配Omicron，但通过记忆B细胞表位扩展（图4C）和TFH细胞活化（图3G）实现广谱应答
2. 佐剂关键作用：AS03促进抗体亲和力成熟，使半衰期延长至134天（vs mRNA疫苗的90天）
3. 黏膜免疫价值：BAL IgG水平与血清高度相关（图2B），为黏膜疫苗设计提供依据

2. 与临床数据的衔接

• 衰减速率对比：本疫苗t₁/₂=134天，优于mRNA-1273的90天（Gagne et al., Nature 2022）
• 保护效力关联：鼻拭子病毒载量与人类传播风险正相关（Wolfel et al., Nature 2020）

3. 局限性

1. 恒河猴ACE2受体与人存在差异
2. 未评估对最新亚变体（如BA.5）的保护
3. 黏膜IgA应答数据缺失

结论

AS03佐剂的RBD-I53-50纳米颗粒疫苗通过诱导多功能T细胞应答和长效记忆B细胞，对Omicron提供至少6个月的持久保护。其“初免-加强”策略可克服抗原漂移，为应对未来变异株提供技术路径。

图表摘要

表1：攻毒后病毒载量对比

组别	肺部sgRNA阳性率	鼻拭子峰值载量（拷贝/mL）
未接种对照组	4/5 (80%)	1.3×10⁷
加强后6周（G1）	0/5 (0%)	7.57×10³
加强后6个月（G2+G3）	4/11 (36.4%)	6.44×10⁴

 

名称	货号	规格
V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (25 Plate)	K15049D-4	25Plate
V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (5 Plate)	K15049D-2	5Plate
V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (1 Plate)	K15049D-1	1Plate