SARS-CoV-2 mRNA vaccine induces robust specific and cross-reactive IgG and unequal neutralizing antibodies in naive and previously infected people

摘要

本研究通过对168名健康医护工作者（包括148名未感染者和20名既往感染者）进行mRNA疫苗接种前后多时间点血清学分析，揭示了BNT162b2/mRNA-1273疫苗诱导的抗体应答特征。研究发现，尽管两组人群在完成全程接种后均产生高水平的刺突蛋白特异性IgG，但中和抗体反应存在显著异质性：40%未感染者在完成接种后仍检测不到有效中和抗体，而既往感染者中仍有20%未产生充分中和活性。此外，疫苗对Delta变异株的中和效率较参考毒株下降20-30%，且季节性冠状病毒交叉抗体在既往感染者中呈现独特动力学特征。

一、研究背景与方法学设计

1.1 研究队列与样本采集

研究纳入237名医护工作者，最终168名完成mRNA疫苗接种（161名BNT162b2，7名mRNA-1273）。通过RT-PCR和血清学检测（核衣壳蛋白抗体及RBD抗体）确定感染状态（图S1）：

既往感染组（n=20）：有症状轻症感染史
未感染组（n=148）
纵向采集三个时间点血清：
接种前（基线，n=136）
首剂后6-28天（中位21天，n=149）
第二剂后20-66天（中位54天，n=139）

1.2 检测方法

结合抗体：ELISA检测全长刺突蛋白、RBD、NTD的IgG/IgM/IgA
中和抗体：
- 活病毒中和试验（WIV04参考株，BSL-3实验室）
- 假病毒ACE2结合抑制试验（覆盖7种变异株）
交叉反应抗体：ELISA检测4种季节性冠状病毒（HCoV-OC43/HKU1/NL63/229E）刺突蛋白抗体

二、核心研究结果

2.1 抗体同种型动态特征（图1）

2.1.1 IgG主导应答

首剂后：95%未感染者在接种8天后出现RBD/全长刺突蛋白IgG血清转化
第二剂后：两组IgG水平无显著差异（p>0.05）

2.1.2 IgM与IgA应答差异

抗体类型	未感染组	既往感染组
IgM	首剂后升高，二剂后下降	整体低于未感染组
IgA	首剂后升高，二剂后下降	首剂后与未感染组相当，二剂后无变化

图1G-H：未感染组IgM/IgA在第二剂后显著下降（p<0.001），而既往感染组IgA维持稳定。

2.2 刺突蛋白结合抗体强度（图2）

首剂后：既往感染组RBD/全长刺突蛋白IgG水平显著高于未感染组（AUC差值>2倍）
第二剂后：两组IgG水平趋近（图2B-C）
相关性分析：RBD抗体与NTD/全长刺突抗体高度相关（rs=0.87, 95%CI 0.83-0.90）

2.3 中和抗体应答异质性（图3）

2.3.1 组间差异

第二剂后中和抗体阳性率：
- 未感染组：60%（22/37）
- 既往感染组：80%（16/20）
中和效价（Neut50）：
- 未感染组中位值：240
- 既往感染组中位值：960

2.3.2 中和抗体动态分组

基于首剂与二剂后变化分为三组：

分组	特征	占比（未感染组）	占比（既往感染组）
组1	首剂无中和活性，二剂后仍无/弱	40%	20%
组2	首剂高效价，二剂后下降	30%	35%
组3	首剂低效价，二剂后显著升高	30%	45%

图3C-D：组2个体虽结合抗体水平高（RBD AUC>0.8），但中和活性在二剂后下降，提示表位质量差异。

2.4 变异株中和逃逸特征（图4）

2.4.1 ACE2结合抑制率比较

毒株	未感染组抑制率（%）	既往感染组抑制率（%）
参考株WIV04	85.2 ± 6.3	92.1 ± 4.8
Delta	64.5 ± 8.7*	72.3 ± 7.2*
Alpha	71.2 ± 7.5*	79.6 ± 6.1*
Beta	68.9 ± 9.1*	75.4 ± 8.3*

*注：*表示较参考株下降显著（p<0.01）

2.4.2 逃逸机制解析

Delta变异株在RBD关键表位累积突变（L452R, T478K）
主要中和表位（Site A和Site D）构象改变（图4B）
50%以上高效中和抗体（IGHV3-53/3-66家族）对Delta株结合力下降>60%

2.5 季节性冠状病毒交叉抗体（图5）

2.5.1 动力学差异

抗体类型	未感染组	既往感染组
β-HCoV交叉抗体（OC43/HKU1）	二剂后持续升高	首剂后达峰，二剂后下降
α-HCoV交叉抗体（NL63/229E）	二剂后轻度升高	无显著变化

2.5.2 临床意义

交叉抗体与SARS-CoV-2抗体水平正相关（rs=0.62-0.71）
但未发现与疾病严重程度或保护作用的直接关联

三、讨论与临床启示

3.1 中和抗体异质性的机制探讨

研究发现40%未感染者在完成接种后未检测到中和抗体，可能涉及以下机制：

表位聚焦差异：自然感染诱导更广谱表位应答（Greaney et al., 2021b）
年龄因素：中和抗体水平与年龄负相关（图S4，rs=-0.43）
记忆B细胞库差异：既往感染者存在交叉反应性记忆B细胞（Sokal et al., 2021）

3.2 对疫苗接种策略的启示

既往感染者仍需两剂疫苗：33%首剂后无中和活性，其中40%在第二剂后产生中和抗体
剂量间隔优化：组2个体（30%）中和效价在3-4周间隔后下降，支持延长间隔至6-12周（Payne et al., 2021）
加强针必要性：Delta株中和效率下降及抗体衰减（>6个月）提示需变异株适应性疫苗

3.3 诊断与监测意义

核衣壳蛋白抗体：随时间显著衰减（图S1E），不适合长期感染史追溯
非刺突蛋白靶点：ORF8/ORF3b抗体可作为疫苗接种者自然感染标志物

四、研究局限性与未来方向

4.1 局限性

未包含细胞免疫应答分析
未覆盖极端年龄/免疫抑制人群
样本采集时间点存在波动（首剂后3-29天，二剂后20-66天）

4.2 未解问题

中和抗体阴性者是否通过Fc效应或T细胞获得保护？
交叉抗体是否影响后续变异株易感性？
黏膜IgA（特别是分泌型IgA2）在呼吸道保护中的作用？

五、结论

本研究揭示mRNA疫苗在未感染与既往感染人群中诱导不均衡的中和抗体应答：

结合抗体：两组均产生高水平的刺突蛋白特异性IgG
中和抗体：40%未感染者全程接种后无有效中和活性，且对Delta株效率下降20-30%
交叉反应：季节性冠状病毒抗体在既往感染者中呈独特动力学
这些发现支持个体化疫苗接种策略及针对变异株的疫苗优化需求。

名称	货号	规格
Peroxidase-conjugated AffiniPure™ Goat Anti-Human IgM, Fc5µ Fragment Specific	109-035-043	2ml
V-PLEX SARS-CoV-2 Panel 13 (ACE2) Kit (5 PL)	K15466U-2	EA
V-PLEX SARS-CoV-2 Panel 13 (ACE2) Kit (25 PL)	K15466U-4	1EA