Cell | 老当益壮！打响训练性免疫VS新冠病毒反击战

刘俊波 2020-05-04

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翻译 By 翠翠晓钰杨萍

牵动全球的病毒大流行，使得让人忧愁的新冠病毒成为了众人讨伐的对象。然而，受限于特异药物或疫苗的研发进程，COVID-19（新型冠状病毒感染）尚未有明确且有效的治疗方法。近日，Mihai G. Netea教授团队在Cell上发表了一篇名为“Trained immunity: a tool for reducing susceptibility and severity of SARS-CoV-2 infection”的综述，为我们提供了一种治疗思路。不得不说，当打之年，是时而战，这份“新概念”，你是否pick？

通讯作者Mihai G. Netea教授

（图片源自网络）

摘要

对大多数人来说，SARS-CoV-2的感染是轻微的，但在一小部分病人中会发展为重症肺炎。老年人及患有共病的个体发展为重症的几率增加，表明此类人群抗病毒防御机制存在起始缺陷。某些活疫苗(卡介苗、口服脊髓灰质炎疫苗、麻疹疫苗)可长期增强先天免疫反应，也称为‘训练性免疫’，即通过对先天免疫细胞的表观遗传、转录和功能水平的重编程，诱导产生抵抗感染的一种保护。研究人员认为，全微生物疫苗诱导的训练性免疫可能是降低SARS-CoV-2易感性和严重程度的重要手段。

从一个新出现的病原体到大流行

2019年12月，卫生部门发现了多名不明病因肺炎病例。感染的传播和随后的卫生紧急情况促使了卫生保健局、医疗专业人员和研究团体的动员。很快，该病原体被鉴定为一种新型冠状病毒，并由此开发了一系列诊断及治疗方法。这种新型病原体被称为严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2型（SARS-CoV-2），同时将其引发的疾病称为新型冠状病毒感染2019（COVID-19）。SARS-CoV-2主要通过呼吸道飞沫传播，类似于流感。据估计，该病毒基本繁殖数(R0)和连续间隔分别为2.2和5-6天，每3天感染人数翻倍。SARS-CoV-2的临床表现从无症状感染发展为轻度上呼吸道感染症状(发烧、喉咙痛、咳嗽、疲乏)，最后发展为伴有呼吸衰竭和死亡的严重肺炎。

自首次报告病例以来，SARS-CoV-2在全世界迅速传播，并于2020年3月11日，世界卫生组织(WHO)将此次冠状病毒爆发宣布为大流行。感染人数已达数百万，死亡人数也已超过10万。尽管采取了力所能及的防御措施，但病例数量仍在上升，其中欧洲和美国是大流行的重点区域。此外，其他国家和大洲的病例数量也正在增加。流行病学资料显示，老年人及一些有基础疾病(糖尿病、肥胖、心血管、呼吸系统、肾、肺等疾病)的患者更易感染COVID-19，同时更易发展成为重症。让人惊讶的是，包括婴儿在内，容易遭受其他感染的幼年儿童症状则普遍较轻，而且很少发展为严重的COVID-19。

SARS-CoV-2感染期间宿主-病原体相互影响

了解导致严重性和死亡率增加的机制是改善COVID-19患者预后的一个非常重要的方面。SARS冠状病毒进入人体后，首先会通过其表面的刺突蛋白结合细胞表面的血管紧张素转换酶2（ACE2）受体来侵染表皮细胞和II型肺泡细胞（图1）。在这一过程中，II型跨膜蛋白酶TMPRSS2可以水解加工该复合体，导致ACE2的剪切和刺突蛋白的活化，从而促使病毒进入靶细胞。有研究表明，SARS家族的冠状病毒最容易侵入同时表达ACE2和TMPRSS2的细胞，其中就包括导致SARS的病毒(SARS-CoV)，也最有可能包含SARS-CoV-2。病毒入侵和细胞感染会触发宿主的免疫应答，进而先天免疫细胞会引发一系列炎症级联反应。实际上，SARS-CoV-2诱导的炎症介质(如细胞因子或趋化因子)的受体和信号传导机制尚未确定。但是，可以设想两种可能的机制：一种是以某些细胞因子（如IL-1α，IL-8）或ATP为代表的释放危险信号的分子，而另一种则可能涉及由已知的模式识别受体如TLRs在专职免疫细胞中介导的不同识别途径（图1）。事实上，已有研究表明，TLR3和TLR4可识别SARS-CoV，并通过MyD88和TRIF介导的通路来诱导炎症反应，因此，SARS-CoV-2也可能涉及类似的过程。类似地，SARS-CoV引起的炎症小体和IL-1β通路的活化也可能在病理发生中发挥重要作用。最近的一项关于IL-1通路的转录组水平的鉴定支持了这一假设，结果表明该通路在COVID-19患者中明显上调。在此种疾病的病理生理学水平，先天免疫应答是关键步骤：一方面它可以触发宿主的抗病毒防御机制，有助于清除感染，而另一方面对少数病人来说，在疾病的后期阶段，先天免疫应答则可能会导致过度炎症及组织损伤。

图1. SARS冠状病毒与宿主免疫系统间的宿主-病原体相互影响的描述。SARS冠状病毒被吸入人体后，首先会通过其表面的刺突蛋白与ACE2受体结合来侵染表皮细胞和II型肺细胞。在这一过程中，II型跨膜蛋白酶TMPRSS2可以水解加工该复合体，导致ACE2的剪切和刺突蛋白的活化，促使病毒进入靶细胞。病毒入侵和细胞感染会触发免疫应答。炎症级联反应的启动可能有两种机制：一种是以某些细胞因子（如IL-1α或IL-8）或ATP为代表的释放危险信号的分子，而另一种则是涉及免疫细胞介导的不同的识别途径，可以起始炎症应答。ACE2：血管紧张素转化酶2；TMPRSS2：跨膜丝氨酸蛋白酶2。

COVID-19病人的主要临床并发症是局部过度炎症反应引起的呼吸衰竭和急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。这些并发症的病理生理学特征与其他严重的病毒性肺部感染如流感及其他由冠状病毒(严重急性呼吸道综合征(SARS)和中东呼吸综合征(MERS))引起的感染有很强的相似性。在这些感染中，介导肺部病理的一个重要机制是细胞因子风暴引起了所谓的‘巨噬细胞激活综合征’(MAS)。事实上，越来越多的研究表明，严重的SARS-CoV-2感染患者全身炎症反应会增加。与那些不需要在重症监护室（ICU）中接受治疗的病人相比，在ICU中的COVID-19患者中，促炎性细胞因子如IL-6、TNF、MCP1、MIP1A和IP10等的循环浓度升高，尽管某一些只是略微升高。这种全身性炎症的强烈增加与升高的d-二聚体所反映的内皮功能障碍和肺局部过度活跃的CCR6+Th17+的T细胞有关。最近的一项研究证实了这一点，该研究描述了一名从感染中恢复的轻度至中度COVID-19患者的免疫细胞群的变化。在该患者中，即使在出现症状的7-9天内，全身促炎细胞因子的浓度增加也是最小的。这表明，一个温和的感染过程与很少的全身炎症反应相关。

这些数据表明，在疾病感染的后期阶段，活跃的先天免疫应答导致了重症而非轻症COVID-19感染的主要的免疫失调。然而，新的研究表明，COVID-19的免疫功能障碍更为复杂。在这方面，淋巴细胞减少是与严重程度相关的疾病最重要的免疫特征之一，伴有CD4和CD8淋巴细胞缺陷。已知的T细胞和B细胞免疫功能的年龄相关差异可能导致对病毒复制的控制不足，从而增加疾病的严重性。与此一致的是，最近的一项研究显示，COVID-19患者的免疫反应引起的过度炎症反应，其病情虽然严重(不同于细菌性脓毒症)，但循环单核细胞产生细胞因子的能力高，且全身促炎细胞因子浓度高。这些数据表明，虽然持续的先天免疫功能导致过度炎症反应，但淋巴细胞数量下降，同时其功能可能有缺陷。

因此可以假设，当一个有着强有力免疫应答的人感染病毒后，其体内局部的先天和适应性免疫的强烈激活会使病毒血症得到控制，导致较低的全身性炎症，并可从中恢复。相反，在一些个体中，由于年老或共病导致的免疫反应缺陷，病毒复制将不受限制，最终导致高浓度的病毒载量，进而引发过度炎症，以及严重的并发症，如ARDS和死亡（图2）。因此，可以认为，采用合理的免疫治疗应根据疾病的发展阶段来定。在未受感染的宿主中，应该采取增强先天免疫反应的策略，使病毒复制得到控制。而在疾病发生的后期，目标应该是阻断过度炎症循环，以防止严重的并发症。因此，研究人员认为，在感染前，对先天免疫重编程（训练性免疫）的诱导可能是增强抗病毒应答以预防感染的一个合理的方法。此外，利用IL-1/IL-6通路抑制剂的治疗被认为对重症COVID-19患者过度炎症的控制有效，同时针对该策略的临床试验正在进行中。

图2. COVID-19病理生理学水平的先天免疫失调。遗传和非遗传的风险因素以及共病的存在，决定了宿主防御机制的有效性。在感染的早期阶段，一个强有力的宿主防御体系可以抑制病毒复制，随后导致低水平的炎症、较轻的症状和良好的预后。如果宿主防御机制存在缺陷，则会导致病毒大规模复制、全身炎症、病情严重，最终导致死亡。

天然免疫应答的重编程：训练性免疫和病毒感染

天然免疫应答是抵抗病原体入侵的第一道防线。在感染的时候，骨髓（如中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞）和淋巴的天然免疫细胞（如NK细胞和γδT 细胞）都有助于激活宿主的抵抗能力，它们能清除每天感染人体的大量微生物。当第一道防线被大量的病原体或者非常强感染性的微生物打破时，适应性免疫（T细胞和B细胞介导）就被激活了。长期以来，人们认为只有适应性免疫系统的细胞才能增强免疫记忆，并防止反复感染。淋巴细胞的这种特性是疫苗对抗特定感染的基础。

但是，越来越多的研究表明，天然免疫细胞在遇到某些感染或疫苗后，也可以显示适应性特征，这一特征在功能上类似于建立免疫记忆，此过程被称为训练性免疫。在缺乏适应性免疫系统的植物和无脊椎动物中，也有更好的保护来防止再感染，事实上这就是一种天然免疫记忆。在适应性免疫反应缺陷的小鼠(如Scid或Rag1^{^{^-/-}})中进行的研究也表明，对再感染的部分保护可以由天然免疫细胞介导。最后，随着天然免疫细胞抗菌功能的增强，人类在接种活疫苗后出现了长期功能性变化。

本质上讲，负责天然免疫细胞（如单核细胞、巨噬细胞和NK细胞）长期重编程的分子机制是表观遗传效应。疫苗或活病原体在感染过程中对先天免疫细胞的最初刺激导致细胞内免疫通路的激活，随后导致促炎基因转录的上调。在初始刺激消除或消退后，基因转录恢复到基线水平。当单核细胞或巨噬细胞受到相同或不同刺激的再次挑战时，有关宿主防御和促炎细胞因子产生的重要基因的转录随后会更有效地增加。为了允许这种情况发生，细胞必须授予基因组区域权限，该区域包含靶序列和参与这些过程的基因的调控元件。这是通过持久的表观遗传修饰来调节的，该修饰允许染色质的未折叠以及转录因子与涉及的免疫相关基因的启动子和增强子区域的可及性。表观遗传修饰的持久性使细胞保持在“训练过的”功能状态，并增加了促炎基因的可及性，从而促进了再次受到攻击后产生更快更高的响应。导致中枢代谢的某些代谢物选择性积累或耗尽的代谢过程调节了这一进程，而它们充当表观遗传酶的共调节分子（图3）。

图3. 训练性免疫机制和提高宿主抗病毒防御能力。训练性免疫定义为在最初的挑战（如疫苗接种或感染）后，对不同病原体的先天免疫应答增强。某些能够结合特定模式识别受体的微生物配体能够在先天免疫细胞中诱导持久的代谢和表观遗传学变化。细胞的代谢和表观遗传学景观的这种重新编程允许转录因子在重新刺激时快速接近促炎基因的启动子和增强子区域，从而促进基因表达。细胞新陈代谢活性的提高为重新刺激时产生强大的免疫反应提供了快速的能量和代谢物供应。这些表观遗传和代谢作用的组合在第二次刺激下以相同的不同配体提供了更高的响应能力，甚至可以防止随后的感染。

与训练性免疫反应的持久性相关的一个重要方面可以在两个水平得到保证：通过骨髓前体水平（中枢天然免疫记忆）和组织巨噬细胞水平（外周天然免疫记忆）产生的影响。在诱导训练性免疫后数月，循环骨髓细胞中已发现转录、表观遗传学和功能变化，但这些细胞在循环系统中的寿命只有几天。该发现解释了这一悖论，即该过程也发生在骨髓祖细胞水平上，导致骨髓生成偏倚和单核细胞的释放，对病原体的反应有所提高。重要的是，诱导训练性免疫的第二级水平是组织中的局部环境，如果是呼吸道感染，则是肺部。实验研究表明，肺泡或肺巨噬细胞也可以在感染后进行长期重新编程。伽玛疱疹病毒感染可以预防过敏性反应，而腺病毒感染可引起肺泡巨噬细胞重塑，并随后诱导更明显的抗菌免疫力。这表明训练性免疫的诱导还可以在感染中提供保护，同时，局部宿主防御机制在诸如肺等特定器官中很重要。

肺结核（TB）疫苗卡介苗（BCG）是诱导训练免疫的最好研究的疫苗。卡介苗是从牛结核分枝杆菌（Mycobacterium bovis）中分离出来的减毒活株，是世界上使用最广泛的疫苗之一，每年有超过1.3亿婴儿接受这种疫苗。尽管是作为抗结核疫苗而开发的，但许多研究表明，它具有诱导有效抵抗其他传染病的能力：即‘脱靶’效应或‘非特异性’效应（NSE）。低收入国家的几项流行病学研究表明，新生儿BCG疫苗接种与新生儿死亡率的大幅降低之间存在关联。应世卫组织要求进行的两项元分析得出的结论是，尽管对某些研究的质量存在质疑，但接种卡介苗很可能会带来重要且有益的NSE，并进一步得出结论，需要进行更多的研究。此外，实验研究表明，卡介苗可能具有预防病毒病原体，包括呼吸道合胞病毒、人乳头瘤病毒和单纯疱疹病毒的作用。而且，在小鼠中进行的研究提供了鼻内卡介苗给药对继发性病毒感染的影响的证据。在两项单独的研究中，卡介苗与对照组相比降低了甲型流感病毒的病毒滴度，从而减少了炎症和肺损伤。此外，已经描述了在接种了BCG的小鼠中对多种其他病毒的增强的抗性，包括1型和2型单纯疱疹病毒、仙台病毒和念珠菌病毒。

人类健康志愿者的BCG疫苗接种可在离体刺激无关病原体的情况下增强单核细胞促炎性细胞因子（如IL-1β、TNFα和IL-6）的产生。此外，研究人员发现，在接受黄热病疫苗作为病毒性人类感染模型的人类健康志愿者中，与接受安慰剂的个体相比，一个月前接受卡介苗疫苗的人的病毒血症较少，抗病毒反应有所改善。只有有限的研究评估了卡介苗接种对成人的保护性异源作用。南非青少年中的一项最新研究调查了卡介苗接种对结核分枝杆菌（M. tuberculosis）感染的影响，该研究记录了其他感染的发生率，以评估疫苗接种的安全性。尽管这不是试验中计划的终点，但有趣的是，接种了BCG的个体与未接种的个体相比，呼吸道感染减少了73％。印度尼西亚一项针对老年人的小型研究报告说，与安慰剂相比，多次接种BCG疫苗可显著减少呼吸道感染。日本的一项临床试验发现，先前结核菌素阴性的老年人接种BCG疫苗后可降低肺炎的风险。

训练性免疫诱导：抵抗COVID-19的工具

卡介苗可诱导训练免疫并对异种感染提供保护，这一发现表明卡介苗接种可能对呼吸道感染(包括病毒感染)提供保护。因此，研究人员假设，通过卡介苗接种，诱导训练性免疫可能是针对SARS-CoV-2感染的有效预防措施，并且/或者可以降低疾病严重程度。在有免疫能力的成年人中接种BCG疫苗是安全的，即使是在潜伏性TB感染的成年人中以及在接受过BCG疫苗接种的成年人中也是如此。在一项将BCG疫苗接种与新型TB疫苗和安慰剂进行比较的随机对照试验中，在BCG组的312例患者中未观察到疫苗相关的严重不良事件。根据有关卡介苗接种的公开数据和报告的COVID-19病例，一些初步研究表明，与实行了长期普遍的疫苗接种政策的国家相比，没有普遍卡介苗接种政策的国家（意大利、荷兰、西班牙、美国、厄瓜多尔）更容易受到严重影响，这与BCG保护已接种疫苗的老年人口的想法是一致的。但是，这些数据是观察性的，并且容易混淆，例如在许多国家中存在有限的测试和报告等问题，因此它们最多为BCG的保护作用提供了间接支持。

随机对照试验为这一研究问题提供了最高质量的证据。考虑到SARS-CoV-2流行病的直接威胁，应将试验设计为具有高度可行性的实用研究，可以连续（每周）进行测量。这样可以最迅速地确定有益的结果，如果这种结果被证明是有效的，那么它将使社会也可以从干预中受益。此类试验可以首先在高感染风险人群或高死亡率人群中启动：护理COVID-19患者的医院工作人员属于第一类，而老年人或有合并症的患者则属于第二类。尽管免疫衰老可能会导致老年人的无效反应，但最近的一项研究表明，先天免疫功能在很大程度上得以保留，而适应性免疫反应（尤其是IFNγ/IL-22的产生）存在缺陷。这些发现确实表明，老年人接种疫苗后也可能发生有效的训练性免疫应答。

基于这些数据，荷兰和澳大利亚已经开始了评估卡介苗对卫生保健工作者的有效性的试验，同时丹麦、美国、法国、乌拉圭和南非也在进行准备。此外，希腊正在进行一项随机临床试验，其中在住院时无免疫抑制的老年患者在出院时已使用安慰剂或BCG进行了疫苗接种。研究持续到第一次感染为止。此项试验已完成报名，预计将于2020年10月取得结果。此外，另一项临床研究将评估VPM1002疫苗预防COVID-19的能力。VPM1002是一种BCG菌株，经过基因修饰以提高其免疫原性，方法是用李斯特菌（Listeria monocytogenes）的李斯特菌溶血素编码基因替换脲酶C编码基因。最后，在坦桑尼亚和乌干达，正在准备一项随机对照试验，将对2000名老年人（>50岁）在高血压和糖尿病等长期护理条件下进行随机分类。

除卡介苗外，还可设想通过其他疫苗或微生物刺激诱导训练性免疫，以预防COVID-19。麻疹和口服脊髓灰质炎疫苗（OPV）也已被证明可以防止异源感染和死亡。基于这些数据，也有理由评估这些疫苗是否能诱导针对COVID-19的非特异性抗病毒机制。类似地，在实验模型中鼻内施用TLR3配体多聚IC：LC可以预防SARS，并且可以进行抗SARS-CoV-2感染的测试。

COVID-19患者的免疫反应是增强还是抑制?

关于这里提出的调节方法，研究人员建议使用可以提高宿主抗病毒反应的策略，即训练免疫，以防止感染SARS-CoV-2。用卡介苗接种诱导训练免疫，产生更有效的细胞因子应答：更容易产生重要的抗病毒作用的细胞因子，包括IL-1β、TNF、干扰素。然而，重要的是，这些细胞因子在重症患者中也存在高循环浓度，并可能导致ARDS。炎症性Th1/Th17反应也可能导致疾病晚期的肺损伤。因此，需要考虑理论可能性，即训练免疫的诱导可能通过促进或抑制先天免疫反应而产生有害的影响。

这个问题的答案取决于当这两种方法开始时疾病的病理生理阶段。在接种卡介苗的健康个体中，先天抗菌机制将通过训练免疫得到增强，从而导致病毒血减少，病毒消除加快，炎症减少，症状减轻，康复更快。在这种情况下，炎症细胞因子的循环浓度和炎性Th1/Th17反应的诱导作用都将减弱。相反，在一些高危人群(如老年人)中，最初的抗病毒反应缺陷可能导致高病毒血症、有害的全身炎症以及严重的疾病。通过打破这些患者的全身炎症循环，例如通过阿那白滞素阻断IL-1途径或用IL-6受体单克隆抗体注射剂阻断IL-6功能，可以挽救其中一些患者的生命。

因此，研究人员认为，在COVID-19患者中，诱导训练免疫是一种重要的宿主导向方法，这可能会改善宿主抗病毒防御，并减少全身炎症，最终带来更好的结果(图1)。

结论和观点

COVID-19大流行是自1918年西班牙流感以来最严重的全球卫生危机，也可能是自第二次世界大战结束以来最重要的全球危机。在这样困难的情况下，感染人数已成千上万，死亡人数也已达数万人。此时，不仅需要医疗机构和医学界的迅速动员，而且还需要整个研究界的力量以找出最佳诊断、预防和治疗病人的方法。

COVID-19病理生理学的一个重要组成部分是炎症反应的失调，从这个角度，本研究概述了这些过程，并提出一个基于在高危人群中诱导训练免疫的宿主导向治疗的基本原理。

关于SARS-CoV-2感染，有几个非常重要的问题急需处理。首先，应该共同努力来详细解释这种疾病的病理生理学。虽然在此阶段与其他严重呼吸道病毒感染（如流感）有很多相似之处，这有助于研究人员提出第一组要测试的免疫调节剂（如阿那白滞素或IL-6受体单克隆抗体注射剂），但它们也存在重要差异，并且很可能还有其他途径参与。其次，详细了解疾病的病理生理学将有助于更好的设计新的训练免疫方法，并且需要进行大量研究以证明临床相关的益处并确定具有最高医学获益的亚组。

最后，在一些国家已经开始进行临床试验，测试卡介苗预防COVID-19的能力。然而，卡介苗可能不是唯一具有这种积极异种作用的疫苗。新的基于重组结核分歧杆菌（MTB）的疫苗，如VPM1002，或其他疫苗如麻疹疫苗和OPV可能具有类似的作用，它们也被考虑用于临床试验。这种使用训练免疫的接种方法即使成功，也只能在有限的时间内提供部分保护。因此，诱导训练免疫虽然有用，但它只是通往开发针对SARS-CoV-2的特定疫苗的桥梁，而SARS-CoV-2是控制大流行最重要的靶点。然而，使用宿主防御的训练免疫增强剂，即使在有限的一段时间内有效，也可能有助于在大流行的第一阶段减少感染的传播，并成为对抗迅速传播的新发病原体的重要工具(图4)。