Immunity丨王俊/谢琦/丁思远等合作报道新冠病毒通过髓系细胞受体加剧炎症反应的免疫致病新机制

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关键词：细胞受体病毒炎症合作免疫新机制

资讯来源：BioArt

发布时间： 2021-05-11

截止2021年5月初，新冠病毒（SARS-CoV-2）感染导致的全球死亡人数已超过320万。新冠病毒进入人体导致的过度肺部免疫炎症被认为是加重新冠肺炎（COVID-19) 患者疾病的主要驱动因素，伴随急性呼吸窘迫、细胞因子风暴、淋巴细胞急剧减少等重症临床症状【1-5】。然而，关于COVID-19免疫致病机制的研究相当匮乏。由于单纯针对病毒感染的疫苗以及抗体策略对COVID-19重症患者的治疗作用有限，明确这些病毒引起的免疫致病机制，是采取正确干预策略进行疾病治疗关键所在。

血管紧张素转换酶2 (ACE2) 被认为是SARS-CoV-2侵染宿主细胞的主要受体。SARS-CoV-2 刺突（S)糖蛋白通过其受体结合域 (RBD) 与ACE2结合，随后，一些宿主丝氨酸蛋白酶，包括TMPRSS2等，在S1和S2片段之间的连接处切割SARS-CoV-2 S蛋白，促使宿主细胞膜和病毒融合，并将病毒基因组传递到细胞质中【6】。除ACE2外，现有研究表明neuropilin-1 【7】，AXL 【8】等也可能是SARS-CoV-2的潜在感染受体。已有研究揭示从COVID-19患者肺泡灌洗液分离的免疫细胞，特别是髓系细胞，可以检测到SARS-CoV-2病毒 RNA的存在【1,4】。但是，包括ACE2在内的这些受体分子在免疫细胞上表达量非常低，这提示我们可能存在其他的受体分子介导了SARS-CoV-2和免疫细胞的相互作用以及致病机制。

针对这一疑问，2021年5月9日，纽约大学王俊教授、西湖大学生命科学学院谢琦研究员和圣路易斯华盛顿大学丁思远教授作为共通讯作者（王俊课题组博士后鲁峤、刘甲和谢琦课题组博士后赵帅为本文共同第一作者）近日在Immunity上发表题为 “SARS-CoV-2 exacerbates proinflammatory responses in myeloid cells through C-type lectin receptors and Tweety Family Member 2” 的研究论文 (Research Article) ，为这一疑问提供了新的解释。首次报道了SARS-CoV-2病毒与髓系细胞新受体，其直接相互作用可以导致过度炎症反应的发生，并且证实了通过阻断病毒的S蛋白与髓系细胞受体的抗体策略可以有效降低过度炎症反应，为治疗COVID-19提供了新的方向。

该研究建立了一套高通量筛选髓系细胞膜受体的方法，通过在293T细胞中过表达髓系细胞膜蛋白文库，利用成像分析技术，鉴定出6种与SARS-CoV-2 病毒S蛋白结合的膜蛋白：C型凝集素受体（DC-SIGN、L-SIGN、LSECtin、ASGR1、CLEC10A）和一种通道蛋白，Tweety家族成员2 (TTYH2)（图1）。进一步研究表明， C型凝集素受体主要与S蛋白的非RBD （即N-端区域（NTD）或C-端区域（CTD））结构域结合，而TTYH2则和ACE2很相似，主要和S蛋白的RBD结构域结合。因为C型凝集素受体的结合和糖基化有关，文章还通过一系列的突变试验证明了SARS-CoV-2 病毒S蛋白多个糖基化位点和这些髓系细胞受体结合的重要性。

图1：通过高通量筛选鉴定SARS-CoV-2刺突蛋白（S）髓系细胞受体。A，高通量髓系细胞受体筛选原理。B，髓系细胞受体（DC-SIGN, L-SIGN, LSECtin, ASGR1, CLEC10A, 和TTYH2）可以与S蛋白所结合。

利用COVID-19患者肺泡灌洗液中的单细胞转录组数据【1，4】，研究人员发现除了ACE2阳性的肺表皮细胞含有病毒RNA之外，多种髓系细胞中也存在SARS-CoV-2病毒RNA。这些免疫细胞高表达DC-SIGN、L-SIGN、LSECtin、ASGR1、CLEC10A和TTYH2，但不表达ACE2 。研究人员同时在从新冠病人肺泡灌洗液分离出的髓系细胞中通过细胞流式的方法确认了这些膜蛋白的表达。此外，肺泡灌洗液中表达免疫受体的髓系细胞表现出低水平的I型、Ⅱ型和Ⅲ型干扰素(IFNA2, IFNB1, IFNG, IFNL1)，但表达高水平的炎症细胞因子和趋化因子,如IL1B，IL8，CXCL10，和CCL2 等。研究人员还发现，与非肺炎或细菌性肺炎患者相比，COVID-19患者的肺泡灌洗液样本中这些免疫受体和促炎细胞因子/趋化因子的特异性上调，提示它们在COVID-19中可能的致病作用。

通过一系列真病毒和假病毒的实验，研究人员发现SARS-CoV-2无法通过这些髓系细胞表面受体来感染免疫细胞，但是，SARS-CoV-2与髓系免疫细胞的相互作用可导髓系细胞产生大量的促炎性细胞因子 (IL1A、IL1B、IL8、CXCL10、CCL2， CCL3等) 并上调炎症相关基因 (EGR1、THBD、C4A和SOCS3) 的表达。同时，研究人员通过对COVID-19患者肺泡灌洗液单细胞RNA测序分析发现这些炎症因子与疾病严重程度密切相关，并且和髓系细胞受体的表达也呈现一定的正相关性。有意思的是，和很多病毒和免疫细胞作用导致的免疫反应不一样，SARS-CoV-2和髓系免疫细胞的相互作用并不能导致I型，Ⅱ型和Ⅲ型干扰素的产生。虽然已发现SARS-CoV-2可以通过多种机制，比如产生NSP或者ORF 蛋白来抑制肺表皮细胞产生干扰素来逃逸免疫系统对被感染细胞的检测【9】，该研究揭示SARS-CoV-2和免疫系统的直接作用不是ACE2受体感染这条途径，而是主要通过这些髓系细胞表面受体的相互作用来直接影响免疫系统，特别是过度炎症反应的发生。

因为这些髓系细胞受体和SARS-CoV-2 S蛋白结合表位和ACE2受体很不一样，这些研究同时也为当前单纯针对SARS-CoV-2/ACE2感染途径的抗体治疗策略对新冠重症的不佳治疗效果提供了合理解释。王俊团队和加州Ab Studio Inc 公司 (刘跃博士为创始人) 合作, 由王俊团队鲁峤博士和Ab Studio Inc董剑波博士筛选了羊驼纳米抗体库中筛选了大量VHH抗体。基于纳米抗体可以结合比较宽的抗原表位的特点，以及对髓系细胞受体以及ACE2受体的不同阻断模式，研究人员筛选并设计了双特异性纳米抗体。该双抗可以在生化层面上广泛阻断S蛋白与髓系细胞受体以及ACE2受体的结合。重要的是，该抗体不仅能有效阻止SARS-CoV-2通过ACE2受体感染宿主细胞 (EC50低至0.09ug/ml) ，也能有效阻断SARS-CoV-2通过髓系细胞受体引发的过度炎症反应。

综上所述，这些数据表明SARS-CoV-2与免疫细胞受体相互作用促进免疫过度活化反应，并且提出利用双特异性纳米抗体一箭双雕同时阻断免疫过度活化以及感染途径可作为COVID-19重症疾病的一种潜在的治疗策略（图2）。

图2：SARS-CoV-2促进髓系细胞过度免疫反应及抗体阻断策略模式图。在没有抗体阻断的情况下，SARS-CoV-2病毒可与髓系细胞受体相互作用，从而引发大量炎症因子的释放并产生过度炎症反应。在抗体阻断的情况下，病毒无法刺激髓系细胞产生大量细胞因子，从而减轻患者的炎症反应。

除了以上提及的单位和个人之外，该研究还得到了纽约大学 (Kenneth Stapleford研究组; Kamal Khanna研究组; Leopoldo Segal研究组; Iannis Aifantis研究组; Sergei Koralov 研究组等) , 耶鲁大学(Peter Cresswell研究组), Ab Studio Inc, 圣路易斯华盛顿大学 (Michael Diamond研究组) , 北大 (张泽民教授研究组) , 西南医学中心 (王涛研究组) ，西湖大学 (周强研究组) ，普渡大学 (马剑竹研究组) ，Kactus Biosystems等不少单位和个人的大力支持和帮助。

另外，早在2020年初，因SARS-COV-2较强的感染力、传播力和抗病毒药物的缺乏，即将在全球蔓延之时，纽约大学王俊博士和耶鲁大学周挺博士 (现西湖大学研究员) 一起，通过追踪COVID-19重症患者的病理和各类组学分析报告，对比其和SARS及MERS病毒的异同，并结合自身对病毒感染和炎症调节的研究，在新冠爆发早期就提出了新冠病毒感染模型、重症患者的 "免疫非协调 (Immune Asynchrony) " 致病机理, 以及潜在的免疫治疗手段。这些内容以观点 (Perspective) 的形式发表在Journal of Experimental Medicine杂志上（王俊博士为通讯作者，周挺博士和耶鲁大学免疫系博士生苏天骄为共同一作）。

图3：新冠病毒感染导致的免疫非协调机制模型。

典型的病毒感染会有秩序的引起先天和适应性免疫反应，包括首先由PAMP/DAMP信号激活先天免疫，释放细胞因子和趋化因子，先天增强的同时也开始诱导适应性免疫反应的应答，随后适应性免疫细胞通过负反馈机制如分泌细胞因子拮抗剂来下调先天免疫反应，形成免疫动态平衡（左）。在新冠感染过程中（右），先天免疫反应感知异常，病毒-宿主相互作用触发的髓系细胞过度活化，产生过量细胞因子，同时病毒通过各种机制抑制适应性免疫细胞的激活和扩增，以及不能产生负反馈调节机制，从而导致免疫病理。

在该文中，作者首先回顾了在一般的病毒感染过程中，先天免疫和获得性免疫相关的分子和细胞通过时间、空间和反馈机制上的协调，产生抗病毒免疫应答的同时合理的控制炎症反应。而新冠病毒则通过感染上皮细胞, 以及直接影响免疫细胞（作者在这里即预测了病毒通过ACE2以外的受体来感染免疫细胞），尤其探讨了病毒感染ACE2阳性的肺表皮细胞抑制被感染细胞干扰素的产生并不能合理地解释新冠免疫紊乱机制。相反，大量扩增的病毒产生的PAMP和DAMP，与免疫系统的直接作用等机制过度激活先天性免疫，而获得性免疫也因干扰素的缺乏和病毒，以及其他多种拮抗机制被抑制，造成中性粒细胞和粒细胞/巨噬细胞肺部大量浸润以及系统性的细胞因子风暴，最终导致机体的免疫失衡和新冠重症。作者还从先天和获得性免疫失衡的两个方面出发，探讨了病毒特异性的免疫治疗靶点和方案（如炎症细胞因子的阻断等等）（图4）。随后，在全世界对新冠病毒的全方位和大规模研究中，本文中的理论模型和多个靶点也陆续被证实。

图4：新冠治疗干预策略。

抗病毒反应中各阶段的失调都可以被纠正，但必须仔细平衡病毒清除与宿主毒性之间的关系。在疾病的早期阶段，重点应放在预防性疫苗和抗病毒药物的使用上，而在疾病的晚期阶段，应考虑使用各种免疫调节剂来缓先天免疫反应，减少病原性T细胞并提高B细胞的抗体生产能力。NAbs，中和抗体。

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纽约大学王俊博士多年来致力于发现和理解新的细胞表面免疫调节分子的功能以及在肿瘤、自身免疫以及感染疾病中应用，发现并参与开发包括Siglec-15, FGL1/LAG-3之内的多个创新靶点。其作为第一作者或通讯作者身份在Cell, Nature Medicine, Immunity, JEM, Clinical Cancer Research, Journal of Immunology 等专业杂志发表。课题组目前急需更多优秀的博士后或者访问学者人才加入该研究团队研究免疫治疗相关课题。有意者请 email 联系王俊博士(jun.wang@nyulangone.org), 长期有效。

西湖大学谢琦博士一直从事肿瘤干细胞以及干细胞和所在的肿瘤微环境互作的相关研究，从表观遗传学，转录调控水平，翻译后修饰水平以及代谢水平对其进行了系统性研究，取得了一系列的研究成果，研究成果以第一作者或通讯作者身份发表在Cell, Cancer Discovery, Immunity, Nature Neuroscience，Cell Research, Journal of Clinical Investigation等国际著名杂志上，并多次应邀在干细胞领域顶级杂志Cell Stem Cell 上发表评述和综述文章。目前急需更多优秀的博士后人才加入该研究团队推动相关课题。有意者可以email谢琦博士(xieqi@westlake.edu.cn), 长期有效。

原文链接：

https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(21)00212-0

https://rupress.org/jem/article/217/10/e20200674/152080/Immune-asynchrony-in-COVID-19-pathogenesis-and

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