新冠病毒患者的免疫力可維持超過半年

根據感冒冠狀病毒和流感病毒的經驗，大多數人都認為人類體內對抗新冠病毒的免疫保護可能很短，大概感染後半年左右抗體就會降到測不到，尤其是無症狀和輕症的患者可能感染後抗體量本來就不高，不過到底可以維持多久呢？這個資訊可以讓我們預測疫苗提供的免疫保護持久力。從疫情開始至今也一年了，各國的資料也收集得差不多了吧。XD

La Jolla Institute 的研究團隊之前已經發表了兩篇相關研究，他們先是分析健康個體和 COVID-19 康復患者的血清，發現所有康復患者都有可辨識新冠病毒 Spike protein 的 CD4+ (helper) T cells，T cells 的反應程度和 IgG 量成正向相關，七成的康復患者有可對抗新冠病毒的 CD8+ (killer) T cells，而且反應強烈。康復患者除了帶有可辨識 Spike protein 的免疫細胞外，他們也帶有可辨識其他病毒蛋白的 T cells，像是 M protein 和 N protein。另外，他們也分析了疫情前採集到的血清，同樣帶有可辨識新冠病毒的 T cells。

相關文章：新冠病毒感染者體內 T 細胞的免疫反應

「他們檢測了於 2015-2018 年採樣到、沒有感染過新冠病毒的血液檢體，結果發現其中有 40% - 60% 含有可以辨識新冠病毒的 helper T cells，不過和康復患者不同的是他們的 T cells 反應雖然也是以 Spike 為主，但幾乎沒有對 N protein 或 M protein 有反應的 T cells，次主要的是 NSPs (non-structural proteins)。而之所以會有這些 T cells，可能是因為這些人之前感染過其他種類的冠狀病毒，cross-reactivity 使他們體內也有能辨識新冠病毒的 T cells。研究者們認為這是之前感染其他四種引起感冒症狀的冠狀病毒時產生的，因為這些血液檢體裡都有針對至少其中三種常見冠狀病毒的 T cells，血清檢測也顯示全部都有 HCoV-OC43 和 HCoV-NL43 Spike protein 的 IgG 抗體，表示大多數人都感染過常見的四種感冒冠狀病毒，而且至少感染過超過三種，而這也可能是為什麼大部分的人感染到新冠病毒後都只是輕症或無症狀。」

註：常見的四種感冒冠狀病毒為 NL63, 229E, OC43 和 HKU1。

在之後發表在 Science 研究裡，他們則是分析是哪些病毒片段使 CD4+ T cells 有 cross-reactivity，讓未感染個體的免疫系統能夠對新冠病毒有反應。

相關文章：抗新冠病毒的 T cells 和抗感冒冠狀病毒的有 cross-reactivity

在之前的研究裡，他們以分析 CD4+ T cells 的反應為主，而他們這個月發表的研究，三種 adaptive immunity 都分析了 -- CD4+ (helper) T cells, CD8+ (killer) T cells, memory B cells。在他們分析的近兩百位患者包括了無症狀患者、輕症、中度和重症患者，不過大多數(93%)為不需住院的輕症患者，年齡為 19 歲到 81 歲。其中有些患者的提供不同時期的血清檢體，間隔大約幾個月採集一次，其中有 63 個檢體是感染後超過半年後採集的。

他們分析了血清內的抗體後，發現九成患者的 anti-Spike IgG 可以六到八個月都穩定存在著，anti-nucleocapsid IgG 也差不多持續八個月穩定存在著，中和抗體主要為 anti-Spike RBD IgG，90% 患者的中和抗體也是穩定存在六到八個月。產生抗 Spike 抗體的 memory B cells 比症狀出現一個月後更多，倒是 CD4+ (helper) 和 CD8+ (killer) T cells 減少，存活週期(half-life)約為三到五個月。那生產抗體的 memory B cells 呢？他們發現患者體內針對新冠病毒的 memory B cells 在症狀出現後的 120 天內持續增加，之後呈現一個 plateau 的狀態。針對 Spike 的 memory B cells 中有約 10%-30% 是特別針對 Spike RBD。RBD-specific memory B cells 的狀況也差不多，不過可以早在症狀出現後十六天左右就開始持續增加，並且持續增加四到五個月。未感染者體內則幾乎沒有 Spike-specific memory B cells。既然有 anti-N protein 的抗體，當然就會有生產它的 nucleocapsid-specific memory B cells，也同樣是症狀出現後的四到五個月內持續穩定增加。

再來是 memory T cells。大約 70% 的患者在症狀出現後一個月(20-50 days)開始測得到針對新冠病毒的 memory CD8+ T cells，目標蛋白有 Spike, Membrane (M), Nucleocapsid (N) 和 ORF3a，其中約有 50% 患者體內的 CD8+ T cells 在六個月後仍穩定存在著，在感染後一個月，約有 93% 的患者可以測得到針對新冠病毒的 CD4+ T cells，目標蛋白除了 Spike, M, N, ORF3a 外，還有 nsp3，在六個月後體內 CD4+ T cells 仍穩定存在的患者有 92%。Spike-specific (CD4+ / CD8+) T cells 的穩定存在情況和針對新冠病毒的 T cells 類似，同樣可以穩定存在六個月以上。

最後，他們比較了免疫系統裡的其中五樣指標，看看他們維持多久。他們比較的五樣為 RBD IgG, RBD memory B cells, Spike IgA, total SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells 和 total SARS-CoV-2-specific CD4+ T cells，因為這五樣在免疫保護力中扮演著重要角色。他們發現，大多數人(64%)在症狀出現後一到兩個月內，這五樣都穩定存在著，但在五到八個月後，這五樣在體內仍穩定存在的只剩 43%。不過呢，雖然五樣都降的人站了以半以上，但有 95% 的人在五到八個月後，至少有三樣仍穩定存在著，也就是說抗新冠病毒的免疫力並沒有之前以為的短，至少能夠維持半年以上，算是個好消息。

La Jolla 的研究已輕症為主，去年年底英國有個研究則是針對感染後無症狀或輕微症狀的醫護人員。倫敦醫院從去年三月底疫情爆發初期就開始每週驗 PCR 和血清，檢測和分析他們在英國封城後十六到十八週的 T cells 和抗體反應。

他們分析了倫敦醫院醫護人員的 T cells 和抗體，發現他們的 T cells 對新冠病毒 Spike 有反應的比例不高，只有 49%，反而對 N protein (neucleocapsid) 有反應的比例高達 85%。相較之下，疫情前的控制組對 Spike 和 N protein 有反應的比例為 29% 和 12%。不意外的，和 La Jolla 研究團隊的結果類似，未感染者血清也測得到對新冠病毒有反應的 T cells，不過到底是新冠病毒的哪個蛋白片段和感冒冠狀病毒有 cross-reactivity，是否和 La Jolla 研究團隊的結果一樣，則需要進一步的分析。

那抗體呢？有 97% 有抗 S1 IgG 或抗 N protein IgG/IgM，而且有 89% 的抗體是有抑制病毒作用的中和抗體，不過無症狀或輕微症狀患者的抗體量比症狀明顯的患者低。之前有研究顯示，新冠病毒患者的抗體量降的很快，可以在幾週內就降到測不到，不過有的研究卻顯示可以維持幾個月，而在這個研究顯示，是不管是無症狀、輕微症狀還是症狀明顯的患者，他們的中和抗體量在這 16 到 18 週中都維持固定的量，並沒有減低。另外，有趣的是五十歲以上的醫護人員中，有八成的中和抗體量很高(IC50 >200)[註]；相對的，24 歲到 49 歲有高中和抗體量的比例為 58%。

註：中和抗體量 IC50 = 0-49 為測不到，50-199 為低，200+ 為高。

那抗體和 T cell 反應是否有關聯，是否有抗新冠病毒 T cell 反應的人就有抗體，或是抗體量比較高呢？似乎關沒有絕對的關聯性，而這也和之前的研究結果類似，有不少人沒抗新冠病毒的抗體，但卻帶有對新冠病毒有反應的 T cells。

結論：目前看來，新冠病毒患者體內的抗體、生產抗體的 B cells，和前線對抗感染的 T cells 都可穩定存在五到八個月。


Publications:

CJ Reynolds et al, Discordant neutralizing antibody and T cell responses in asymptomatic and mild SARS-CoV-2 infection. Science (2020)

JM Dan et al, mmunological memory to SARS-CoV-2 assessed for up to 8 months after infection. Science (2021)

RJ Cox & KA Brokstad, Not just antibodies: B cells and T cells mediate immunity to COVID-19. Nature Reviews Immunology (2020)

預防病毒感染除了打疫苗外還有什麼方法？

上個月刊在 Science Immunology 的一篇研究用的方法是用 CRISPR 改造 B cells。抗體基因分成 heavy chain (IgH) 和 light chain (IgL) 兩個部分，兩個都需要幾過幾次的 splicing 去除掉不需要的 V(D)J regions 才會變成最終的一個抗體。他們在 IgH VDJ 和 C (constant) region 中間的 intronic region 插入了對抗某個病毒(在這個研究裡是 RSV 和 Influenza) 的抗體的 IgL 和 IgH VDJ 的部分，C 的部分用原有(endogenous)的基因以減少需要插入基因的長度，使得改造過的 B cells 可以生產他們想要的抗體。


Figure / Wikipedia - VDJ recombination

他們把改造過的 B cells 植入老鼠體內，然後再輸入後的一個禮拜後，再讓老鼠感染 RSV (respiratory syncytial virus)，感染五天後取其肺臟和胰臟側病毒量，並且和抗體藥 palivizumab 的效果做比較，結果顯示效果和抗體藥一樣好。另外，改造過的 B cells 在老鼠體內可以維持多久也是個問題，所以他們也測試了長期的效果，他們在移植基改 B cells 後的 87 天後才讓老鼠感染 RSV，然後同樣在感染五天後測量胰臟和肺臟的病毒量，結果和移植七天後的效果是一樣的。

這個方法如果在人體內可行的話，或許可以取代很難研發的疫苗，不過目前的老鼠實驗只測到 87 天後的效果，是否可以維持年以上的效果還不知道。



Article:

Science / Genetically engineered immune cells fight off deadly virus in mice (May 2019)


Paper:

HF Moffett et al, B cells engineered to express pathogen-specific antibodies protect against infection. Science Immunology (2019)

第一型糖尿病患的新型免疫細胞

對免疫系統稍有了解的，大概都知道免疫 T 細胞(T cells)和 B 細胞(B cells)，兩者的產地不同。T 細胞由胸腺(thymus)生產，又分為兩種，殺手 T 細胞(CTLs; cytotoxic T cells)和 helper T cells)，主要是用來殺死外來物，例如病毒和細菌。B 細胞則是產於骨髓(bone marrow)和淋巴結(lymph nodes)，功能是記住外來物的樣子，然後在相同外來物再度入侵時，可以生產抗體抵禦。

不過最近研究發現，第一型糖尿病患(Type I diabetes, T1D)有種特別的免疫細胞，是 B cell 和 T cell 的混合體，同時表現 TCR (T-cell receptors)和 BCR (B-cell receptors)，例如大多數的 DE cells 會表現 IgD 和 IgM [註 1]。另外，他們也同時表現 B cell 和 T cell 獨有的基因，目前暫稱為 dual expresser (DE) cells。普通的健康個體也有 DE cells，但是 T1D 患者比較多。除此之外，他們的 BCR CDR3 帶有一段特別的 amino acid sequence，只有第一型糖尿病患者的 BCR 才有，健康個體的沒有。第一型糖尿病主要是因為 T cells 跑去殺死製造胰島素(insulin)的胰臟 β cells，使其無法生產胰島素。目前認為 T 細胞會殺死 β cells 是因為胰島素的一個氨基酸片段 B:9-23 (SHLVEALYLVCGERG) 被 HLA (human leukocyte antigen)呈現給惹 T cells [註 2]，使它誤以為胰島素是入侵者需要被消滅，而表現胰島素的 HLA 則是 HLA-DQ8，一種大量出現在第一型糖尿病患裡的 HLA。B:9-23 片段對普通的 HLA-DQ8 的 affinity 是很低的，但是 T1D 患者的 DQ8 binding pocket 裡和胰島素接觸的兩個氨基酸(A14, R22)如果突變為 A14E 和 R22E 的話，affinity 會增加百倍以上。

註 1：BCR 簡單來說就是黏在 B cells 表面的抗體，所以也同樣有三個辨識抗原的 CDRs (complementarity-determining regions)。抗體有五種 -- IgA, IgD, IgE, IgG & IgM，BCRs 則主要為 IgD 和 IgM。

註 2：HLA 屬於 Class II MHC (MHCII)，表現在 APC (antigen-presenting cells) 表面，有個 binding pocket 會結合抗原(antigen)，然後把它呈現給 T cells，告訴 T cells 這是入侵物，快去殺死它。



作者們認為第一型糖尿病的 T 細胞會攻擊 β cells 是因為這段特別的氨基酸片段 DE peptide 可能會和 HLA-DQ8 結合，進而引發 T cells 的攻擊，他們用電腦模擬的結果發現 DE peptide 和 HLA-DQ8 的結合力非常強，比胰島素的片段還大到上萬倍，因此很可能引發強大的 T 細胞反應。而實際實驗結果也顯示 DE peptide 的確會和 HLA-DQ8 結合，並且會刺激第一型糖尿病患的 T helper cells 產生免疫反應，指示 CTLs 去攻擊胰臟的 β cells。不過，雖然目前看來第一型糖尿病患的 DE peptide 是引發 CTLs 去攻擊生產胰島素的 β cells 的原因，但是胰島素在這中間扮演了什麼角色呢？如果 HLA-DQ8 結合的目標物是 DE peptide，為什麼 CTLs 攻擊的會是 β cells 呢？目前原因還不清楚，需要更多的研究。



Article:

The Scientist / Novel Type of Immune Cell Discovered in Type 1 Diabetes Patients


Paper:

R Ahmed et al, A Public BCR Present in a Unique Dual-Receptor-Expressing Lymphocyte from Type 1 Diabetes Patients Encodes a Potent T Cell Autoantigen. Cell (2019)


Book: B Cells and Antibodies, Molecular Biology of the Cell (4th ed.)