Adjuvant-dependent
impact of inactivated SARS-CoV-2
vaccines during heterologous infection by a
SARS-related coronavirus
DOI：10.1038/s41467-024-47450-x通讯作者：Mark
T.Heise，北卡罗来纳大学教堂山分校，美国文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47450-x
基于全病毒的灭活疫苗对COVID-19大流行产生了重大的全球影响。灭活疫苗对有症状的感染提供适度的保护，对严重疾病和死亡提供显著和可持续的保护。然而，灭活疫苗诱导的中和抗体滴度下降相对较快，而且这些疫苗对B.1.617.2（Delta）和Omicron亚变体等关注变异株（VOC）的效果并不高，这引发了对接种疫苗者突破性感染的担忧，特别是在对疫苗没有强烈免疫反应的个体，包括65岁及以上人群。疫苗失败导致的这种突破性感染有时与疫苗相关的增强型呼吸道疾病（VAERD）有关，历史上福尔马林灭活呼吸道合胞病毒（RSV）和形式灭活麻疹病毒疫苗已经观察到这一结果。在几项SARS-CoV和MERS-CoV疫苗的临床前研究中报道了疫苗相关的病理，包括灭活疫苗、复制载体疫苗和重组亚单位刺突蛋白疫苗。鉴于当前VOC对疫苗突破的威胁越来越大，以及未来SARS-r-CoV流行的可能性和疫苗失败背景下VAERD的风险，研究者使用已建立的同源和异源 SARS-r-CoV 呼吸道感染小鼠模型评估了佐剂对灭活SARS-CoV-2疫苗（iCoV2）的安全性和有效性的影响。
用氢氧化铝佐剂的全病毒灭活SARS-CoV-2疫苗对应对COVID-19大流行至关重要。尽管这些疫苗对同源冠状病毒感染具有保护作用，但新型变异株的出现以及携带新型异源冠状病毒的大型人畜共患宿主的存在为疫苗突破提供了重要机会，这增加了疫苗相关增强呼吸道疾病等不良后果的风险。在这里，我们使用冠状病毒病的雌性小鼠模型来评估灭活疫苗对SARS-CoV-2的同源攻击或蝙蝠衍生冠状病毒的异源攻击的性能，这些攻击代表了潜在的新出现的疾病威胁。我们表明，用氢氧化铝佐剂的灭活SARS-CoV-2疫苗可以在异源感染期间引起增强的呼吸道疾病，而使用替代佐剂不会驱动疾病并促进异源病毒清除。在这项工作中，我们强调了佐剂选择对灭活疫苗安全性和抗异源冠状病毒感染有效性的影响。
研究内容一：灭活的SARS-CoV-2疫苗可保护小鼠免受SARS-CoV-2的侵害使用已建立的疫苗接种和SARS-r-CoV攻毒的小鼠模型来评估佐剂配方对iCoV2在同源或异源病毒攻毒中的安全性和有效性。iCoV2与明矾佐剂（iCoV2 + 明矾）或RIBI（Sigma佐剂系统，iCoV2 + RIBI）一起给药，两种灭活的SARS-CoV-2疫苗制剂都具有高度免疫原性，检测到iCoV2 + RIBI诱导的中和滴度比 iCoV2 + 明矾高出约3倍（图1）。两种疫苗也显著降低了肺部病变，如急性肺损伤（ALI）和弥漫性肺泡损伤（DAD）测量所示（图1d，e，f)。观察到iCoV2 + 明矾疫苗接种小鼠辅助依赖性肺嗜酸性粒细胞浸润和2型细胞因子的上调（图1g，h）。
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图1 灭活疫苗可保护小鼠免受SARS-CoV-2的侵害，但会引起佐剂依赖性2型炎症
研究内容二：灭活的SARS-CoV-2疫苗在感染SARS相关冠状病毒期间会导致佐剂依赖性增强疾病先前存在的疫苗诱导的SARS-CoV-2免疫记忆可能会影响未来潜在的SARS-r-CoV流行病。根据iCoV2对VOC的性能，预计iCoV2将无法引发对异源出现前SARS-r-CoV的保护性免疫。SHC014是一种分支3 Sarbecovirus，可以高与人ACE2结合亲和力并在人气道上皮细胞中复制，使其成为潜在的新发疾病威胁。使用针对SARS-CoV-2
D614G的mRNA疫苗血清，SHC014的中和滴度降低约100倍。在iCoV2 + 明矾未诱导高于背景的可检测中和抗体的条件下iCoV2 + RIBI导致针对SHC014的交叉中和抗体滴度较基线增加三倍。这些反应与对照组和iCoV2 + Alum组有显著差异（图2a），提示佐剂依赖性作用对异源中和抗体反应。
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图2 灭活的SARS-CoV-2疫苗在SARS相关冠状病毒感染期间会导致疾病加剧
接下来评估了疫苗介导的对SHC014攻击的保护作用。与对照组相比，通过全身体积描记法（WBP）测量的iCoV2 + 明矾疫苗接种小鼠表现出呼吸功能受损，包括增强暂停（Penh）、呼气峰值流量（Rpef）和暂停时间（TP）的改变（图 3）。除了导致呼吸功能受损和病毒清除延迟外，iCoV2 + 明矾疫苗接种在5 DPI时导致病理学增加，而接种iCoV2 + RIBI的小鼠没有表现出呼吸道病理学的迹象（图2d，e）。此外，接种iCoV2 + 明矾疫苗的小鼠在SHC014感染期间特异性表现出2型炎症，包括肺嗜酸性粒细胞浸润增加5 DPI和2型细胞因子表达（图2f，g，图3a）。这些结果清楚地表明，在异源感染的背景下，接种iCoV2 + 明矾不仅不能防止SHC014复制，而且实际上使动物易患增强的病毒诱导疾病和延迟病毒清除。相反，RIBI佐剂的使用可促进病毒清除，并且与疾病恶化无关。![]()
图3 疫苗佐剂在异源感染过程中促进不同的免疫基因表达模式
研究内容三：剂在异源感染期间促进不同的基因表达模式
进行了RNA测序（RNA-Seq）和差异表达基因（DEG）分析以系统地评估 iCoV2 + 明矾和iCoV2 + RIBI如何在SHC014感染过程中改变肺部免疫环境。在2 DPI时，相对于iCoV2 + RIBI对应物，iCoV2 + Alum小鼠中有1529个基因显着上调，513个基因显着下调。在5 DPI时，iCoV2 + Alum相对于iCoV2 + RIBI有2158个基因显著上调，2191个基因显著下调（图3c）。iCoV2 + Alum组在5 DPI时上调的主要通路继续包括趋化因子和细胞因子信号转导。相比之下，iCoV2 + RIBI在5 DPI时上调的通路显示出多种正常过程（如离子转运活性和细胞骨架结合），这与这些动物感染的解决相一致。研究内容四：
替代加强疫苗接种可部分减少疫苗增强的疾病大量接种了明矾佐剂灭活COVID-19疫苗的个体在接触新出现的异源冠状病毒后患VAERD的风险代表了潜在的公共卫生风险，因此测试了是否可以通过用RIBI佐剂融合前稳定重组刺突蛋白疫苗（S2P + RIBI）重新增强iCoV2 + 明矾疫苗接种的小鼠来改善这种风险。为了进行比较还纳入了接受第三剂iCoV2 + 明矾的组。与iCoV2 + 明矾对照（iFLU + 明矾二次加强）相比，第三剂iCoV2 + 明矾促进了呼吸功能受损，表现为3和4 DPI时Rpef降低（图 4a）、更严重的延迟病毒清除（图4a，b）和病变恶化（图4c-e）。相比之下，S2P + RIBI的二次加强疫苗接种适度防止呼吸功能受损，表现为Rpef和TP维持在2 DPI，并促进了病毒清除率的提高，10只小鼠中有8只在5 DPI下没有表现出可检测到的病毒（图4a，b）。然而，与iCoV2 + 明矾对照组相比，使用S2P + RIBI再增强并不能显着防止病理学增加、嗜酸性粒细胞浸润或粘液产生（图4c-e）。
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图4 替代加强疫苗接种可部分减少疫苗增强的疾病
研究内容五：
CD4+T辅助细胞驱动疫苗增强疾病用iCoV2 + 明矾诱导的VAERD观察到强烈的2型炎症特征，这是缺乏保护的情况下由TH2型（TH2）性抗体细胞介导的。与对照组相比，接种iCoV2 + RIBI疫苗的动物血清促进了病毒清除（图5a），表明iCoV2 + RIBI诱导了针对SHC014的交叉保护抗体。来自iCoV2 + Alum接种小鼠的血清转移也促进了病毒清除（图5a），表明iCoV2 + Alum诱导的抗体没有缺陷，也不会引起抗体依赖的感染增强。进一步分析发现iCoV2 + Alum血清转移对呼吸功能无影响（图5b）。然而确实观察到，在iCoV2 + Alum血清受者中，没有嗜酸性粒细胞浸润的ALI和DAD有适度但有统计学意义的增加（图5c-e）。这些结果表明，虽然iCoV2 + Alum疫苗诱导的抗体在异源感染过程中适度地促进了病理变化，但其他免疫系统成分驱动iCoV2 + Alum诱导的VAERD。![]()
图5 疫苗免疫血清在异源感染期间促进与适度病理的交叉保护考虑到iCoV2 + Alum在异源感染期间诱导了2型炎症（图2f，g；图3），表明有一种强烈的TH2偏倚的免疫反应。重要的是，观察到CD4+细胞的消耗逆转了VAERD的所有测量体征，包括呼吸功能受损、病理学、病毒清除延迟和2型炎症（图6）。与TH2偏置反应促进VAERD的假说一致，CD4+细胞消耗导致2型细胞因子高表达的逆转（图6e），并显著减少肺嗜酸性粒细胞浸润（图6f，g）。CD4+细胞消耗对多种不良结果的显著影响强烈认为，TH细胞是iCoV2 + Alum诱导的VAERD的主要驱动因素。![]()
图6 CD4+ T辅助细胞在异源感染期间促进疫苗增强疾病
已接种约50亿剂灭活COVID-19疫苗可对祖先的SARS-CoV-2和早期VOC提供适度保护，然而这些疫苗对最近VOC的效力显著降低。尽管iCoV2 + 明矾可预防同源和早期大流行性VOC，但该疫苗在SARS-r-CoV SHC014异源感染期间会导致VAERD，这在BALB/c小鼠中通常是非致病性的。重要的是，通过使用替代佐剂（RIBI）可以避免这种结果（并加速病毒清除）。随着像奥密克戎亚变种一样的VOC已成为主要的流行毒株，疫苗突破已成为接种灭活疫苗的个体的重大问题。重要的是，这些模式在我们的模型中得到了复制，其中iCoV2 + 明矾可抵御同源挑战和早期大流行的VOC，但在异源挑战期间表现出突破性。这就提出了一个重要问题，即在该小鼠模型中观察到的免疫病理学是否反映了人类的风险。虽然该研究的发现与人类的直接相关性仍有待确定，但我们相信本篇描述的这项工作说明了严格测试疫苗对异源病毒性能的重要性。
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