武漢肺炎輕症患者體內的免疫反應

在上週發表的 Nature Medicine 裡有一篇是關於輕症患者體內的免疫反應，我相信台灣應該也有康復者的資料，只是不知道有沒有觀察其免疫反應。

這篇是個案，雖說每個人體質不太一樣，但應該也差不了多少，有些復原後的情形也和之前一些康復患者的報告結果一致。

這位個案是從武漢到澳洲墨爾本的 47 歲女士，抵達澳洲的一週後出現 lethargy, sore throat, dry cough, pleuritic chest pain, mild dyspnea, subjective fevers 這些這症狀，出現症狀四天後去墨爾本的急診。他沒去過那個海鮮市場，也沒接觸過已知患者。患者會加入研究是透過 Sentinel Travelers Research Preparedness Platform for Emerging Infectious Diseases novel coronavirus substudy (SETREP-ID-coV)。

患者健康狀況：沒抽煙、沒有服用藥物，身體算健康。

進醫院時的臨床診斷：
- 體溫為 38.5C
- 脈搏每分鐘 120 下
- 血壓 140/80 mm Hg
- 胸部聽診有 bi-basal rhonchi
- 沒有呼吸道併發症
- 沒有急性呼吸道衰竭症狀
- 出現症狀後第四天，RT-qPCR 有測到病毒，直到第六天都測到病毒，但第七天開始顯示為陰性，血液內 C-reactive protein 增加，免疫細胞數量正常。


Figure / 病患復原情況和病毒檢測結果，可以看到雖然咳嗽持續到第 11 天，但第七天開始檢測結果就都是陰性了，病毒量已經降低到測不到。(Thevarajan et al, Nature Medicine 2020)

治療方式：打點滴補充水份，沒給氧氣，沒給抗生素、類固醇或抗病毒藥物。

恢復狀況：症狀開始後第五天的胸部 X 光顯示有 bi-basal infiltrates (肺浸潤)，但是第十天時已經沒有肺浸潤的情況，於是第十一天便讓他回家自主管理，第十三天已完全康復，但還是在家待到第二十天，直到第二十天還是無恙。

體內免疫反應進程：

1. 出現症狀後第 7 到 20 天血液內和新冠病毒(SARS-CoV-2)有反應的 IgG 和 IgM 抗體大量增加。

2. ASCs (antibody-secreting cells)和 CD4+ T cells 於血液中病毒清乾淨後的第七天開始出現。ASCs在第八天達到高峰，CD4+ T cells 則在第八、九天持續增加。這兩個細胞在患者中的高峰期皆比健康個體高很多，而且直到第 20 天康復後都還存在患者體內。CD8+ T cells 也是從第一天開始快速增加直到第九天，但是在第 20 天開始下降。在得流感或施打流感疫苗後，這些免疫細胞也會大量增加。

3. Cytokines & chemokines：H7N9 重症患者體內會大量增加的 IL-6, IL-8, IL-10, MIP-1β 和 IFN-γ 在有症狀的第七到九之間都沒有顯著增加。


在看到輕症患者康復後肺部也會受損的臉書文後，看了這篇後感到心安一些。



原論文：I Thevarajan et al, Breadth of concomitant immune responses prior to patient recovery: a case report of non-severe COVID-19. Nature Medicine (2020)

新冠病毒(SARS-CoV-2)檢測 -- qPCR 和抗體檢測（續）

有看中研院那篇的就知道，目前檢測新冠病毒的方法有三：

1. qPCR：檢測體內是否有病毒 RNA，知道 primers 就可以用來檢測，不需要另外研發，相對準確，敏感度高(sensitivity)，但需四到六小時，包含運送檢體時間等等的 turnaround time 至少要一天。不過目前 UCSF, Mammoth 和加州 Public Health 部門合作研發的 SARS-CoV-2 DETECTR 利用 CRISPR 技術似乎可以快速檢測，加上 RNA extraction 的時間只要 45 分鐘。

2. 用抗體檢測體內抗原(也就是病毒)：跟 qPCR 比起來準確度較低(需要注意有沒有 cross-reactivity)，也需要時間研發，但是檢驗方法簡單，速度也快，turnaround time 約二十分鐘到一小時。（下圖的第三種 sandwich assay）

3. 用抗原(也就是病毒蛋白)檢測體內是否有抗體：研發時間沒上面那個長，比較簡單，檢驗方法也同樣簡單和快速，但需要等到症狀出現後，病患體內產生抗體才測得到，通常是用來追蹤是否曾經感染過。（下圖的第一種 direct assay 或第二種 indirect assay）

相關文章：新冠病毒(SARS-CoV-2)的檢測 -- qPCR 和抗體


Figure / Diagram of common ELISA formats (direct vs. sandwich assays)(Thermo Fisher)

註：抗體檢測的原理跟 ELISA 相同，可以固定抗原(antigen)去測體內抗體(antibody)，如上圖的第一種和第二種，這種只要有抗原就可以測，或是固定抗體去測體內是否有抗原，如上圖中的第三種，這種比較需要花時間先去研發出好的抗體。

相關文章：簡單檢測新冠病毒抗體

Nature 的這篇介紹了幾個正在研發的抗體檢測，第一個介紹的就是中研院楊老師的那個 LFIA！和大多數用 S (spike) protein 做抗原的抗體檢測不同的是中研院用的是 N (nucleocapsid) protein，其中一株抗體和 SARS 還有其他種冠狀病毒的 spike protein 沒有 cross-reactivity。不過看了這篇才知道，中研院的抗體是用 AI 去模擬 Ag-Ab interactions 後製造出來人造抗體 libraries，然後再用 phage display 去抓出抗體，而不是用動物去製造抗體，或是從康復患者體內釣出來，因此省掉了兩個月的時間。（也就是說中研院有抗體的基因序列，可以大量生產，也許可以測試是否能用於治療，不過我覺得 anti-spike 的抗體應該會比較有效果。）

相關文章：Phage display 和小抗體製造


Figure / Schematic representation of a LFIA device (Banerjee et al, Analyst 2018; doi: 10.1039/C8AN00307F)

抗體檢測大多用 LFIA (lateral flow immunoassay) 式的快篩，原理跟 ELISA 相同，只是長得像驗孕棒 XD。如上圖的 LFIA 所示，用的是 sandwich assay，也就是把抗體固定在檢測棒上面，然後先讓(可能含有病毒)的血液和帶有染劑的抗體混合，然後讓混合後的血液和抗體流過檢測棒，如果有血液含有抗原(也就是抗原)的話，就會被固定在檢測棒的抗體抓住。另一條 control line 是抓多餘的帶有染劑的抗體，也就是確認有足夠的抗體，並且有作用。因此如果血液中有病毒的話，就會有兩條線，沒有的話就會只出現 control line 那條線。

第二個介紹的是加拿大的公司 Sona Nanotech (Halifax-based)，他們是和 GE 合作研發的 LFIA，抗原用的是 spike protein 的 S1 domain，目前預估是六到八週內可以有供研究使用的產量。

如最之前說的，檢測體內是否有對抗病毒的抗體相對簡單，只要純化出抗原就可以下去測了，德國柏林的 Pharmact 已經有二十分鐘的抗體快篩檢測，用的抗原是 N protein 和 spike protein 的 S1 和 S2 domain，可以用來檢測患者體內是否有這兩個病毒蛋白的抗體，這個快篩可以檢測到 IgM 和 IgG，IgM 是人體受感染後最先產生的抗體，之後再產生 IgG。他們和 qPCR 結果做比較，結果顯示準確度很高 -- 100% true negative 和 0% false positive，不過缺點是敏感度低，因為一開始的 IgM 反應並不高，感染後的 4 - 10 天內測到的敏感度只有 70%，但是第 11 天到第 24 天可以測到 92.5%，IgG 在這幾天測到的比例也高達 98.6%，因此整體 false negative 比例約為 13%。

關於患者體內的免疫反應可參考：武漢肺炎輕症患者體內的免疫反應


其他相關文章：關於武漢病毒(SARS-CoV-2) Cryo-EM 那篇論文的閒聊



Article:

Nature / Fast, portable tests come online to curb coronavirus pandemic (March 2020)


Papers:

JP Broughton et al, Rapid Detection of 2019 Novel Coronavirus SARS-CoV-2 Using a CRISPR-based DETECTR Lateral Flow Assay. MedRxiv (2020)

R Banerjee & A Jaiswal, Recent advances in nanoparticle-based lateral flow immunoassay as a point-of-care diagnostic tool for infectious agents and diseases. Analyst (2018)

簡單檢測新冠病毒抗體

這篇研究提供了簡易的檢測方法，而且有詳細的 protocol，不過還沒有經過 peer-review (這篇之後在五月時刊在 Nature Medicine)，研究團隊是在紐約的 Icahn School of Medicine at Mount Sinai。總之非常簡單，有在純化蛋白和做 ELISA 的實驗室都可以做到，不需要 P3 實驗室，就差能不能自己抽血而已。（好想試 XD）

主要是純化抗原，然後用 ELISA 檢測人體內是否有新冠病毒的抗體，之前澳洲得那篇研究顯示在症狀開始後第七天，患者血液裡可以測到 IgM，這篇則是在症狀開始的第三天就可以檢測到抗體。（如果不懂抗體檢測的，可以去看中研院的那篇解釋。XD）

相關文章：武漢肺炎輕症患者體內的免疫反應

抗原：
1. Spike-thrombin-foldon-6xHis
2. SS-RBD-6xHis

- SARS-CoV-2 Spike protein (full-length): M1-P1213; GenBank MN908947.3
- RBD (receptor-binding domain): R319-F541
- SS: signal peptide (M1-S14)
- thrombin: thrombin cleavage site
- foldon: T4 foldon (trimer)

Expressing vectors:
1. mammalian: pCAGGS; Epi293F cells
2. baculovirus: pFastBacDual

Purification:
1. Ni-NTA (room temp)
2. Buffer exchange to PBS

Human serum samples:
1. 大概五十個血清庫裡的檢體，年齡範圍在 20 到 65 歲以上，應該都是健康個體，是用來檢測 ELISA 的背景訊號的，確認檢測的 specificity。
2. 三位康復患者的血清
3. 十二位新冠病毒急性患者的血清

患者血清檢體：
1. 新冠病毒患者症狀開始後第二、四、六和二十天
2. 新冠病毒患者康復後(同個體)：症狀開始後第三十天
3. 冠狀病毒 NL63 和 229E 的患者：NL63 也是用 ACE2
4. 其他傳染病患者康復後：包括登革熱患者

註：會引起疾病的人類冠狀病毒至少有七種，其中有四種是全球季節性的，未引起輕微的呼吸道疾病，包括有 HCoV-HKU1, HCoV-OC43, HCoV-NL63 和 HCoV-229E，其中 NL63 和 229E 為 alphacoronavirus，另外兩個則是 betacoronavirus。會引起重症的 SARS 和 MERS，以及目前的 SARS-CoV-2 也是 betacoronavirus。

ELISA:
1. Coating: 2 ug/ml (in PBS), 50 ul/well, O/N at 4C
2. Blocking: 3% milk (PBS-T), 1h at room temp
3. Serum: diluted in 1% milk/PBS-T, 2 hrs at room temp
4. 2'Ab: goat-anti-human IgG HRP (1:3000, in PBS-T), 1 h at room temp


Figure / Reactivity of control and SARS-CoV-2 convalescent sera to different spike antigens (Amanat et al, medRxiv 2020)


結果：

1. 在 mammalian cells 裡的表現竟然比較好，mRBD (mammalian RBD) 可以達到 25-50 mg/L，mSpike (mammalian Spike) 也有 5 mg/L，RBD 的表現在 insect cells (iRBD) 則只有 1.5 mg/L，iSpike (insect Spike) 也只有 0.5 mg/L。

2. 在 insect cells 裡表現的 RBD 大小比在動物細胞裡較小，可能是因為在動物細胞裡表現的有被醣化，所以在蛋白膠上顯現的 band 會比較高。

3. 症狀出現後第三天就可以測到抗體

4. 所有新冠患者的血清都和 Spike 還有 RBD 有強烈反應，對 Spike 的反應比 RBD 強，其他傳染病患者的血清則沒反應。

5. 用 mRBD 和 mSpike 測出來的康復患者血清和健康個體血清的差距比較大，相較於 iRBD 和 iSpike，差距比較顯著。

6. 冠狀病毒 299E 和 NL63 患者的血清也對新冠病毒的 Spike 和 RBD 沒反應，表示沒有 cross-reactivity。

7. ELISA 的結果也可以分辨出其他傳染病患者和康復後的新冠患者。

8. 抗體 CR3022 對 mSpike 和 mRBD 有強烈反應。（關於 CR3022 可參考這篇：近期和新冠病毒抗體相關的研究）

9. 那五十幾個血清庫裡的血清對 mRBD 和 mSpike 沒反應，但是大多數卻對 229E 和 NL63 的 Spike protein 有強烈反應。

10. 有反應的抗體種類為 IgG3, IgM 和 IgA

11. 基於安全考量，他們也是惹 heat inactive serum，效果和沒有 heat-inactivated treated serum 差不多，一樣可以測到抗體，表示不需要 P3 實驗室就可以做。

12. 有不少新冠病毒康復患者的血清可以中和病毒，實驗結果顯示可以抑制病毒感染，這和 US CDC Okba et al 發表的結果是一致的。



Article:

Science / New blood tests for antibodies could show true scale of coronavirus pandemic (March 2020)


Papers:

F Amanat et al, A serological assay to detect SARS-CoV-2 seroconversion in humans. Nature Medicine (2020)

F Amanat et al, A serological assay to detect SARS-CoV-2 seroconversion in human. medRxiv (2020)

Okba et al, Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2−Specific Antibody Responses in Coronavirus Disease 2019 Patients. US CDC Emerging Infectious Diseases (2020)

新冠病毒(SARS-CoV-2)的檢測 -- qPCR 和抗體

目前的檢測都是以用 qPCR 檢測病患體內是否有武漢病毒的 RNA，這個方法的問題是耗時耗力，尤其是 RNA extraction 相對來講比 DNA 困難不少，是個瓶頸。另外，復原的患者裡沒有病毒後就測不到 RNA，只能針對目前正被感染的患者，而非康復後的患者，如果患者康復了，那感染的源頭或是中介者就斷了。

目前用 qPCR 檢測的目標基因是 N gene, E gene 和 RdRp gene，它們轉譯後的蛋白為 nucleoprotein (N protein), envelope protein (E protein) 和 RdRp (RNA-dependent RNA polymerase)。

關於這個病毒的 background info 請參考這篇：關於武漢病毒(SARS-CoV-2) Cryo-EM 那篇論文的閒聊


Figure / SARS genome (ViralZone 2020)

之前 BC CDC (BC 省疾管局)內部的 seminar 裡有提到他們檢測的流程為先用 qPCR 檢測是否有 RdRP 和 E gene (~24hrs)，再檢測是否有 N gene (2hrs)，然後送定序 RdRP (8-16 hrs)，都顯示 positive 後最後送 National Microbiology Lab (NML) 確認(24-48hrs)。後來我在 CDC 工作的朋友說，現在已經不用送 NML，BC CDC 檢測為陽性就直接公佈了，所以 24 小時內就可以知道結果。(註：NML 為加拿大唯一的 P4 Lab，位於 Winnipeg, Manitoba。)


Figure / The 2019-nCoV Novel Coronavirus – what we know and what we’re finding out (BC CDC)

除了檢測病患的病毒 RNA，另一個方法就是測體內的抗體，感染病患在免疫系統正常的情況下，身體會製造對抗病毒的抗體，因此即使患者復原了，也可以透過檢測體內的抗體得知其是否曾經感染過病毒，例如浙江台商，另外用抗體檢測也比較省時省力。

新加坡大學 NUS 和美國 Duke University 合作抗體檢測，並在這週二發表了他們的成果。新加坡在一月時發生了兩起教會的群聚感染，一月 29 號的時候有位年輕男士感到身體不適，但找不到感源。另一個教會則是在一月 19 號的時候有位來自武漢的訪者，後來往回追接觸史的時候發現，年輕男士在一月 25 號的農曆年慶祝活動裡，同時參加活動的一對夫妻曾經接觸過那位武漢訪者。那對夫妻在一月 25 的時候出現症狀而去醫院，但因為症狀輕微並沒被診斷為武漢肺炎。發現了年輕男士和這對夫妻的連結後，這對夫妻在二月 18 號送去 CDC 檢測，不過那時那對夫妻已經康復了，檢測人員認為可能測不到病毒的 RNA，於是除了用 qPCR 檢測外，同時也做了抗體測試。沒想到，先生的 RNA 檢測為陽性，於是隔天被送醫隔離，而太太的檢測則是陰性，不過數日後的抗體檢測結果顯示夫妻兩人皆為陽性，表示兩人體內皆有武漢病毒的抗體，太太也曾經感染過病毒。

他們從康復患者的血液檢體裡發現到辨識病毒 S 蛋白(spike protein)的抗體，而這些抗體在實驗室中顯示可以阻止病毒殺死細胞。同時，他們合成的病毒蛋白也可以被患者血裡的抗體偵測到。不過，用抗體檢測需要注意它的 specificity，因為武漢病毒和 SARS 的蛋白很像，可能會出現 cross-reactivity 的問題(也就是抗體同時可以檢測到 SARS 和武漢病毒的蛋白)，所以必須要確定檢測的抗體只會辨識武漢病毒的蛋白，而新加坡和杜克大學研發的抗體測試可以分辨兩個病毒的蛋白，也就是只會對武漢病毒的蛋白有反應。

看到這裡可能會覺得很熟悉，沒錯，中研院之前也公佈過他們可以在浙江台商的血裡測到武漢病毒的蛋白，不過他們測的是 N 蛋白(nucleoprotein)。


【 名字改來改去，武漢病毒到底叫什麼？】

病毒和其引起的疾病命名方式分為三個等級：(ICTV - Naming the 2019 Coronavirus)

1. 疾病名(disease name)：由 WHO 病名，例如這次的武漢肺炎被 WHO 命名為 COVID-19 (Coronavirus Disease 2019)

2. 病毒名(virus)：由病毒學家命名，例如這次的武漢病毒是由 ICTV 裡的冠狀病毒學家命名為 severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)。

3. 病毒分類(species)：由 ICTV (International Committee on Taxonomy of Viruses) 將病毒分類，跟動物的界門綱目科屬種一樣，病毒也由大至小分成 family (名字尾巴是 -dae), subfamily (名字尾巴是 -nae), genus (名字尾巴是 -virus) 和 species (可能前面加個宿主名，例如 canine, porcine 等等的，或是後面加個 type 1, type 2 之類的)，另如這次的冠狀病毒就是 Coronaviridae (family) - Orthocoronavirinae (subfamily) -Betacoronavirus (genus) - Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus (species)。

ICTV 發表的命名武漢病毒的 papers：

AE Gorbalenya et al, Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: The species and its viruses – a statement of the Coronavirus Study Group. bioRxiv (2020)

Coronaviridae Study Group of the ICTV, The species Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nature Microbiology (2020)


Article:

Science / Singapore claims first use of antibody test to track coronavirus infections (Feb 2020)

舊藥新用(repurposed drug) GCSF -- 治療中風

原本用來治療 neutropenia (白血球低落症) 的藥物 GCSF (granulocyte colony-stimulating factor) 最近被發現可以用來治療缺血性中風(ischemic stroke)。GCSF 是一種造血生長激素(hematopoietic growth factor)，負責調節 neutrophils (其中一種白血球)的生產，使它們能順利功從骨髓釋出進到血液裡，目前用於治療化療後造成的白血球下降，還有用在需要做骨髓移植的病患，幫助血球增生。

缺氧性中風是因為血管阻塞使得血液無法把氧氣和葡萄糖送到腦部，造成腦細胞死亡(infraction)，由於之前有研究顯示 GCSF 另有抗細胞凋亡(apoptosis)和促進血管增生(angiogenic)的功能，所以這篇研究的作者認為 GCSF 可能也可以用在治療因為缺血造成的中風。

關於缺血性中風可參考這篇：關於中風的小常識

他們利用血管阻塞手術(carotid artery occlusion, BCAO)製造出中風的狀況，然後在手術半個小時後幫老鼠皮下注射 GCSF，之後每天都給 GCSF，連給四到七天，然後在第四天和第七天的時候檢測老鼠大腦裡的幾個 apoptotic 和 neuroprotective biomarkers，結果發現有注射 GCSF 的老鼠其 ER stress biomarkers (e.g., ATF6, IRE1, PERK, GRP78) 和 apoptotic biomarkers (e.g., Bcl2, Bak) 的表現量下降，而且缺血所造成的 infraction 跟沒注射的相比少很多（沒注射 GCSF 的大腦幾乎整個都是白色的 infraction），行動也和控制組沒有顯著差異。



Article:

NNR / Repurposed Drug Proves Neuroprotective in Stroke Model (Jan 2020)


原論文：J Modi et al, Mode of action of granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) as a novel therapy for stroke in a mouse model. J Biomedical Science (2020)

關於武漢病毒(SARS-CoV-2) Cryo-EM 那篇論文的閒聊

應該有人已經看過這篇論文了，是武漢病毒(SARS-CoV-2)的 cryo-EM，沒想到這麼快就做出來了。

簡單介紹一下這個病毒的 background：

1. enveloped, (+)RNA viruses：病毒的特點就是自帶基因和蛋白很少，都是用宿主細胞的，越小的病毒越是如此。（就像是平常住外面、兩三個禮拜回家一次的人，回去不用帶太多東西，因為可以用家裡的，可能只要帶牙刷、手機和錢包回去就好惹。XD）

2. 大部分病毒的主要自帶基因分為兩種：structural 和 non-structural (NS)。Structural 是組成病毒實體的蛋白，例如 envelope proteins 和 capsid proteins。Non-structural 則是負責病毒複製，例如 transcription factors (TFs) 或是 RNA polymerase (RdRp)。武漢病毒主要的自帶基因有 spike protein (S protein, 屬於 envelope protein), nucleoprotein (N protein), RNA polymerase。同一個家族的病毒通常自帶的基因都差不多，例如武漢病毒和 SARS 都自帶 spike protein 和 N protein。


Figure / Betacoronavirus virion (ViralZone 2020)

3. 武漢病毒和 SARS 的 spike protein 相似度為 86%，和蝙蝠冠狀病毒 RaTG13 的相似度則高達 98%，主要的差異是武漢病毒有一段 "RRAR" furin recognition site，而蝙蝠 RaTG13 和 SARS 的 protease cleavage site 則是只有一個 arginine (R)，在流感病毒裡，其 hemagglutinin protein 帶有 furin binding site 的通常是毒性比較強的病毒株。除此之外，武漢病毒和 RaTG13 S protein 的 RBD 有十七個氨基酸不同。

4. 跟 SARS-CoV 屬於同樣的 species，進入宿主細胞的機制也差不多，是經由它表面的 spike protein 結合宿主細胞的 ACE2 (angiotensin-converting enzyme 2)。

5. Spike protein 是個 glycoprotein，也就是說它會被醣化(glycosylated)。通常 envelope viruses 的表面蛋白(envelope protein)是 glycoprotein。S protein 的結構主要分為幾個 domains：SS (signal sequence), NTD (N-terminal domain), RBD (receptor-binding domain), SD1/2 (subdomain 1, 2), TM (transmembrane domain) 和 CT (C-terminal tail) 等等其他一些小的 domains。三個 S proteins 會結合在一起形成一個 trimer，然後和 ACE2 接合以進入宿主細胞，負責和 ACE2 結合的為 RBD。

我朋友是做 protein binding 研究的，看到這篇的重點是 SARS 和 SARS-CoV-2 的 spike protein 結構非常像，但是抗體竟然沒有 cross reactivity，幾個已發表的 SARS-CoV RBD-specific 抗體都對 SARS-CoV-2 沒反應。而我純化蛋白做太多了，看到的重點都是怎麼純化這個蛋白。XD

1. 竟然可以從 293 cells 純化到 0.5mg/L 的蛋白。
2. 純化它的 ectodomain (1-1208)就夠研究和 ACE2 的 binding。
3. 純化它的 ectodomain 只要過兩個 columns：affinity + SEC，而且在 SEC 是只有一個 670kDa 的 single peak。


* RaTG13 spike protein: QHR63300.2
* SARS-CoV spike protein: NP_828851.1
* SARS-CoV-2 spike protein: QHD43416.1



原論文：

D Wrapp et al, Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science (2020)