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Cell Stem Cell | 免疫类器官助力揭秘流感疫苗免疫反应的关键预测指标

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-04-01 00:09

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撰文 | 觉主在路上

疫苗是显著降低病原体相关发病率和死亡率的重要工具。然而，我们在合理设计疫苗和识别保护性关联方面的能力仍然有限，流感疫苗便是一个典型的例子。尽管以往的经验方法已经发现了多种不同形式的流感抗原，包括减毒活流感疫苗（ LAIVs ）、灭活流感疫苗（ IIVs ）、亚单位疫苗和佐剂配方，但流感疫苗只能为不超过 60% 的接种者提供保护，有些季节的有效性甚至低至 10% 【1】 。传统的疫苗研究策略应用系统生物学方法，依赖于从大型疫苗队列中捕获和分析多模态数据集，如通过外周免疫细胞作为疫苗反应的读数进行分析。但是，血液并不能充分反映淋巴组织内不断变化的免疫反应，且缺乏许多有助于适应性免疫反应的细胞类型 【2,3】 。因此，迫切需要系统地解析疫苗接种后支持保护性免疫的细胞和分子机制，以推动疫苗设计的合理化。

近日，来自加利福尼亚大学的 Lisa E. Wagar 团队在 Cell Stem Cell 发表研究 Systems immunology analysis of human immune organoids identifies host-specific correlates of protection to different influenza vaccines 。该研究通过提取人扁桃体类器官进行体外培养，并使用不同类别的流感疫苗或病毒处理，对类器官样本、基线血液和组织在不同时间点进行免疫细胞组成和激活分析、抗体特异性和中和能力等数据进行分析。 研究发现，人扁桃体的细胞异质性不依赖于年龄变化，并识别出了与七种不同流感疫苗和抗原中和抗体反应相关的独特免疫特征 。出乎意料的是， Th1细胞的数量增加是灭活流感疫苗 (IIVs)中和抗体反应的预测指标和相关指标 。对人类公共数据的二次分析证实了高Th1特征与体内疫苗接种后的抗体反应相关。这些发现表明了人类体外模型在识别体内保护性关联方面的有效性，并确立了Th1功能在流感疫苗接种中的作用。

为了探讨疫苗对黏膜和淋巴组织反应如何受到宿主和抗原特征的影响，研究人员采用了系统免疫学方法，并结合扁桃体类器官培养系统 【4】 ，从100名正在接受扁桃体切除术的健康个体中收集血液和组织。通过流式细胞术测量组织内细胞组成发现，基线组织组成存在显著的异质性，固有免疫细胞群体包括常规树突状细胞（cDC1s, cDC2s）和浆细胞样树突状细胞（pDCs），在个体之间的变异分别达到41倍、19倍和184倍，CD4和CD8 T细胞以及B细胞亚群也有2到20倍的差异。此外，特异性针对流感HA （HA+）的B细胞比例随着供体年龄的增加而显著增加，并表现为HA+记忆和HA+前生发中心（pre-GC）亚群比例的富集。然而，在不同年龄组内和组间的异质性仍然很大，表明与年龄无关。此外，通过使用包含流感HA和非HA蛋白的定制蛋白微阵列对基线血浆内抗体进行分析，研究发现虽然在所有年龄范围内对所有抗原均观察到显著的重叠，但HA特异性免疫球蛋白G （IgG）和IgA的量级和广度随着年龄的增长而提高，而IgM抗体在6到10岁供体中最高。总的来说，基线抗体和细胞组成异质性较大，不呈年龄依赖性。

为了探索抗原形式和配方的差异如何影响不同年龄段对流感抗原的变化，研究人员使用多种疫苗组合包括减毒活疫苗（LAIVs，如Flumist 19/20，Flumist 21/22）、灭活疫苗（IIVs，如Fluzone 19/20，Fluarix 21/22）、佐剂灭活疫苗（FluAD 21/22）、亚单位疫苗（Flucelvax 21/22）以及野生型（WT ）H1N1病毒（A/Cal/07/2009）对体外培养类器官进行处理，在不同时间点收集细胞和上清检测细胞表型、抗体广谱性和中和能力。流式细胞分析发现活性抗原（LAIVs和A/Cal 2009）在第7天诱导出显著的Th1分化并持续升高。相比之下，非活性抗原（IIVs和亚单位疫苗）和未刺激对照组的T细胞主要为Th2表型。此外，活性抗原在类器官中抗原特异性B细胞反应刺激性最强，HA+ B细胞表现出更明显的细胞分化动力学，LAIV刺激后观察到显著更多的HA+记忆细胞激活，并增强HA+前GC细胞分化为成熟浆母细胞（PBs）的能力。通过检测上清中和抗体分析发现，相比于未经刺激的条件，能够增强B细胞激活和分化为前生发中心、GC和PB表型的抗原能够诱导更强的中和反应，其中LAIV刺激能力最强，且广谱性最优。

接下来，研究人员对细胞类型和抗体中和反应做相关性分析，根据中和抗体反应将类器官分为强反应者和弱反应者，研究发现，CD138+浆母细胞（PBs）与减毒活疫苗（LAIV）的强反应相关，暗区（DZ）生发中心B细胞的比例与灭活疫苗（IIV）的强反应相关，且在较晚的时间点（第10天和第14天）发现从Th2到Th1 CD4 T细胞表型的转变。为了寻找能够预测强反应者和弱反应者，研究人员通过机器学习分析方法开发可以进行预测的模型，该模型发现，在类器官模型试验中，尽管LAIV在刺激中和抗体反应中表现更好，但是只有IIV灭活疫苗能够有效区分出反应者和不反应者。基于此，研究对这部分反应者进行进一步分析发现，这部分反应者富集大量流感特异性B细胞亚型、Th1细胞、memory CD8 T 细胞, Tregs 和cDC1s。此外，对上清细胞因子检测发现，反应者内显著分泌大量Th1相关细胞因子如IL2， IL8和GM-CSF。那么这部分Th1细胞是如何参与抗体生成的呢？研究人员将类器官中Th1细胞删除后发现，相关细胞因子下调；相反的，用这些细胞因子处理类器官10天后发现，pre-GC B细胞分化增加，由此，研究结果证明了Th1细胞通过细胞因子推动的分子机制参与B细胞分化，进而增强抗体反应。

总的来说，该研究通过使用免疫类器官模型，诠释了不同疫苗的免疫反应细胞组成和相关变化，为灭活流感疫苗(IIVs)中和抗体反应提供了预测指标，为疫苗研究提供了有效的模型和思路。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(25)00014-1

制版人：十一

参考文献

1. (2022). Past Seasons’ Vaccine Effectiveness (VE) Estimates. Cent. Dis. Control Prev.

2. Farber, D.L. (2021). Tissues, not blood, are where immune cells function. Nature 593, 506–509.

3. Victora, G.D., and Nussenzweig, M.C. (2022). Germinal Centers. Annu. Rev. Immunol . 40, 413–442.

4. Wagar,L.E.,Salahudeen,A.,Constantz,C.M., Wendel, B.S., Lyons,M.M., Mallajosyula, V., Jatt, L.P., Adamska, J.Z., Blum, L.K., Gupta, N., et al. (2021). Modeling human adaptive immune responses with tonsil organo ids. Nat. Med . 27,125–135.

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