COVID-19：揭开宿主免疫反应的面纱

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利用下一代测序工具，科学家正在探索SARS-CoV-2如何与免疫系统相互作用，以更好地了解这种疾病、识别高风险人群并最小化SARS-CoV-2的影响。

        SARS-CoV-2于2019年底首次在中国出现，然后迅速在世界各地出现。当全世界都在致力于了解COVID-19所引起的疾病时，这种新型病毒仍在继续造成感染和死亡。

        英国爱丁堡大学（University of Edinburgh）重症医学学术顾问Kenneth Baillie表示，这是一场毁灭性的疾病大流行。唯一的解决方法是找到一种治疗或者预防疾病的方法，比如疫苗。

        世界各地的研究人员正迎难而上，围绕这种新型冠状病毒深入挖掘，填补知识空白。但是最大的难题之一是为什么对感染的反应因人而异。

        Baillie解释到，在SARS-CoV-2身上看到，人类群体对感染的反应非常多样化，有些人会非常不易被感染，而有些人则会变得非常易感。

        科学家正在使用强大的基因组学技术来探索这个问题以及围绕宿主免疫反应的其它主要问题。他们的发现将有助于为临床试验疗法的选择、疫苗开发和定义高风险人群提供信息。

         

宿主反应的巨大变异

        虽然大多数出现COVID-19症状的患者的疾病程度只是轻度到中度，然而，相当一部分人会出现严重的并发症。约有15  %的患者会发展为严重的肺炎，约有5 %的患者最终发展为急性呼吸窘迫综合征、败血症休克和/或多器官衰竭。但有40 %至80  %的感染者完全没有症状。新的证据表明，这些无症状的患者对病毒的免疫反应较弱。

        意大利锡耶纳大学（University of Siena）医学遗传学组主任Alessandra  Renieri认为，这些对感染反应的差异似乎与病毒的遗传变异无关，现在正在流通的病毒相对稳定。因此，一定有宿主方面的原因可以有助于解释这种疾病的易感性和个体患病结局的巨大差异性。

        迄今为止，研究已经确定了高龄、贫困、男性、黑人或南亚种族和已有的疾病状况（如肥胖、严重哮喘或糖尿病）是影响COVID-19死亡的危险因素。虽然社会和临床因素将解释一部分应答差异性的原因，但遗传变异也可能发挥作用。一项尚待同行评议的配对研究的初步结果表明，宿主的基因因素可以解释这种差异的50 %。

        Renieri表示，识别参与COVID-19发展的关键基因变异将在几个不同的方面帮助我们提升对疾病生物学的理解、选择已有的药物重新加以利用、并知道哪种人群的患病风险最大。

         

寻找基因变异

        检查对COVID-19有严重反应的患者的基因组将有助于确定关键的免疫相关变异。然而，作为比较的理想对照组——无症状感染者却极难找到。在试验没有改善之前，研究人员使用的是可从一般人群中获得的遗传数据集。

        COVID-19宿主遗传学计划（COVID-19 Host Genetics Initiative, COVID-19  HG）是一个由科学家组成的全球联盟，研究宿主基因组与SARS-CoV-2感染之间的关系。该联盟目前包括100多项研究，其中许多研究将生物库数据与卫生系统积极地结合起来。

        Baillie表示毫无疑问，他们会从这些回顾性研究中得到答案，但问题是，他们只是不得不等待这些登记册中的人患病（回顾性研究开始时参与者已患有已知疾病或结果）。

        由于情况紧急，许多团队已经启动了前瞻性收集，直接接收严重SARS-CoV-2感染的患者。GenOMICC研究已经在招募由新兴感染引起的重症患者。现在，它的目标是招募多达2万名COVID-19患者。

        据Baillie解释，他们最初设立这项研究旨在让世界上任何地方的临床研究人员都能够在重症监护中进行高质量的基因研究。采取这种方法的原因是，最终使用生命支持机器的人极易感染疾病，而这正是最强的基因信号所在。

        鉴于在这种苛刻的环境中工作所面临的挑战，该研究使招募过程尽可能简单，需要知情同意书，一个简单的血液DNA样本，以及一个简短的在线表格来捕捉关键的临床信息。该团队已经收集了大约3600份样本，并开始基于阵列的基因分型研究。

        Baillie表示，这种方法为他们提供了一种快速、经济有效的方法来筛选可能对疾病发病机制很重要的常见遗传变异。但局限性在于，它不包括可能对个体反应也很重要的极罕见变异。

        为了更深入地研究，该团队建立了一个新的合作关系，进行全基因组测序。他们还计划合作进行全基因组DNA甲基化分析，寻找可能起作用的表观遗传变异。

        意大利的一个团队也采取了类似的前瞻性方法，旨在从COVID-19的临床谱中招募2000名患者。

        领导这项研究的Renieri表示，这包括极其严重的需要气管插管的病例、需要轻微呼吸辅助的病例以及不需要上述两者的病例，他们也已经开始招募仅有非常轻微感染的非住院患者。

        除了全外显子组测序，意大利团队还将与芬兰的一个小组合作进行全基因组关联研究（genome-wide association study, GWAS）。

        Renieri表示，他们的初步结果已经确定了一些不错的候选者，但是还需要用更多的数据来验证。但他们看到的是，很可能存在一个复合模型，其中既有常见的也有罕见的遗传变异，它们共同影响疾病的易感性。

        这类研究已经说明了一些有趣的相关性。第一篇经同行评审的COVID-19 GWAS论文发现ABO血型系统和3号染色体上的一个基因簇的变异，这些变异在呼吸衰竭患者中比在非变异人群中更为常见。

         

免疫基因组学

        虽然许多研究人员正在使用全基因组的方法来寻找易感性变异，但其他研究人员正在专注于研究人类白细胞抗原（human leukocyte  antigen, HLA）系统。这组分子由主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex,  MHC）编码，MHC在形成免疫反应方面起着至关重要的作用。

        据日本京都大学（University of Kyoto）基因组医学中心主任Fumihiko Matsuda解释，这个基因组区域的变异已经证实与其它几种自身免疫性疾病和感染性疾病有关。因此，某些HLA等位基因有可能影响个体对COVID-19的易感性。

        MHC区域是人类基因组中变异最大的区域之一，已知的等位基因有1万多个。由于其在全球范围内的分布模式与具有共同祖先的特定人群相对应，Matsuda的团队希望能够建立国际合作，以获取不同地域人群的DNA样本。

        该团队此前已经建立了一个高通量工作流程，可以对HLA等位基因进行准确的基因分型，其中包括使用Illumina  MiSeq平台进行多重长片段PCR扩增（multiplex long-range PCR  amplification），然后进行新一代测序。之前的经验使他们对于所需多少样本量有一个很好的估计。

        Matsuda表示，对大约2000个病例和对照的分析足以确定HLA等位基因频率的差异。如果不能根据这个数字发现任何线索，那么应该得出HLA与疾病无关的结论。

        这些HLA关联研究的结果将对预测具有某些HLA等位基因的人是否尤其容易受到COVID-19的影响的计算机模拟分析（silico analyses）进行补充。

         

单细胞基因组学

        大规模人群研究的替代方法是单细胞技术，以帮助解决有关宿主免疫反应的其它重要问题。

        南威尔士大学（University of South Wales, UNSW）医学科学学院和澳大利亚悉尼的Kirby研究所（Kirby  Institute）的Fabio  Luciani表示，他们仍然不知道免疫反应是如何开展的，它是否持久，更重要的是，如果再次感染病毒，免疫反应是否可以被重新激活。这是对COVID-19的下一代研究，因为它是开发保护性疫苗工作的基础。

        作为一项名为COSiN的更大研究的一部分，Luciani的团队旨在从COVID-19康复患者的血液中分离出识别SARS-CoV-2的免疫细胞。他们特别关注具有识别和消除感染细胞能力的T细胞（T cell）和产生消灭病毒颗粒抗体的B细胞（B cell）。

        Luciani表示，需要更多地了解病毒特异性T细胞和B细胞，它们如何对病毒做出反应，它们的多样性如何，是否每个人都有不同的反应以及这些差异是否会影响疫苗的功效。

        他们的实验方法包括选择最有可能引发免疫反应的病毒抗原，并将这些抗原作为“诱饵”来引诱罕见的抗原特异性T细胞。

        Luciani表示，他们的尝试如大海捞针，因为暴露于该病毒的人在血液中会有很多T和B细胞，但只有极少数会特异性针对于SARS-CoV-2。

        然后，研究人员将应用单细胞测序技术，如RNAseq来分析转录组，以及ATAC-seq来确定整个基因组的染色质可及性（图: 研究宿主对SARS-COV-2的应答）。

        Luciani解释，可以从单个SARS-CoV-2特异性免疫细胞中获取数据集，并使用生物信息学工具将其转化为具有生物学意义的信息。他们希望能够分离和鉴定记忆性T细胞和B细胞，并最终确定这些细胞是否能够提供长期的保护以防止感染。

         

突破发现的界限

        全球的科学家正在重新部署他们的技能和资源，以研究COVID-19。现在全世界都在向他们寻求预防或治疗这种感染的方法。

        Baillie认为，做到这一点的第一步是了解疾病的生物学，而这正是基因组学可以帮助我们做到的。现在有一个巨大的任务是提供能产生影响的分析结果。

        在当今先进的测序和阵列技术的帮助下，研究人员正在产生大量的数据，并在相对较短的时间内发现了有关这种新型病毒的前所未有的大量信息。

        Luciani表示，COVID-19产生的数据已经和在过去十年中对其它病毒研究（如HIV）的数据一样多。科学是非常令人兴奋的，但同时也充满挑战。

         

         

原文检索：
        COVID-19: Unravelling the host immune response. (2020) Nature research custom media.

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