I1 Capelle Christophe M. et.al. (2021-09)

Deep immune profiling reveals early-stage a 1nd highly coordinated immune responses in mild COVID-19 patients

medRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2021.08.31.21262713; this version posted September 2, 2021.   hier herunterladen

Tiefgreifende Immunprofilierung offenbart frühe und hochgradig koordinierte Immunreaktionen bei milden COVID-19-Patienten.

In einer Längsschnittkohorte, die sich durch ein paralleles und prospektives Studiendesign auszeichnet, haben die Autoren versucht offenen Fragen bezüglich der Kinetik, der Differenzierung, der Qualität und der Entwicklung der frühen Immunreaktionen bei milden versus asymptomatischen und hospitalisierten COVID-19-Patienten nach einer aktuellen Infektion mit SARS-CoV-2 zu klären. Zu diesem Zweck analysierten sie gleichzeitig 484 Immun-Untergruppen und Kombinationen von 36 Abstammungs- und Funktionsmarkern in drei durchflusszytometrischen Panels, serologische Zytokin/Chemokin-Marker, serologische Antikörper-Titer gegen SARS-CoV-2 Spike (S), S100 Rezeptorbindungsdomäne (RBD), S-N-terminale Domäne (NTD) und Nukleokapsid (N), Angiotensin Converting Enzyme 2 (ACE2) Bindungshemmung an S und S-RBD als Surrogat für Antikörper, Neutralisierungskapazität und Sequenzierung des T-Zell-Rezeptor-beta (TCRb)-Repertoires in einer Längsschnitt Analyse mit 220 Proben.

Die wichtigsten Ergebnisse dieser integrierten Analyse aller Immunparameter zeigen eine hochkoordinierte Immunantwort im Frühstadium nur bei den milden, nicht-hospitalisierten COVID-19-Patienten, die sowohl angeborene als auch adaptive Immunzellen betraf. Diese frühen zellulären Antwort Profile waren stark mit einer ausreichenden schützenden Antikörperproduktion drei Wochen später korreliert. Sowohl CD4+ als auch CD8+ T-Zellen reagierten bereits sehr früh nach einer SARS-CoV-2 Infektion und zeigten eine unerwartete Dominanz von CD4+ SARS-CoV-2-spezifischen TCRb Klonotypen. Diese Hochgradig koordinierte angeborene und adaptive Immunreaktionen im Frühstadium bei mildem COVID-19 war bei den hospitalisierten Patienten beeinträchtigt. Es waren die größten Unterschiede vor allem bei angeborenen Immunzellen wie Monozyten, dendritischen Zellen (DC) und natürlichen Killerzellen (NK) und in geringerem Maße auch bei B- und T-Zellen vorhanden. Insgesamt deuten diese Daten darauf hin, dass die wichtigsten Defizite die bei hospitalisierten COVID-19-Patienten an Tag 1 beobachtet wurden, eher eine Beeinträchtigung der angeborenen Immunzellen und APC Funktionen waren und nicht die adaptiven T- und B-Zellfunktionen. Die oben beschriebenen Unterschiede in den zellulären Immunsignaturen zwischen milden und hospitalisierten Patienten waren nur an Tag 1 signifikant, nicht aber nach drei Wochen an Tag 21. Dies deutet darauf hin, dass verschiedene immunologische Signaturen, die bei hospitalisierten Patienten an Tag 1 reduziert sind, nur bei für den milden klinischen Phänotyp von COVID-19 charakteristisch sind und somit entscheidende Schutzfaktoren in einem frühen Stadium der Krankheit sein können.

Vorübergehender und reversibler Anstieg von IP10 und IFNb im Frühstadium bei leichten COVID-19-Patienten. Insgesamt ist die IP10- und IFNb-Signatur bei milden COVID-19-Patienten durch frühe dynamische Veränderungen gekennzeichnet mit einem starken Anstieg an Tag 1 und einem Rückgang auf normale Werte an Tag 21, während die Werte in Krankenhauspatienten hoch blieb. Dominante Expansion von CD4+ SARS-CoV-2-spezifischen T-Zellen im Frühstadium bei mildem Verlauf. Diese Ergebnisse deuten hin auf eine wichtige funktionelle Rolle der früh reagierenden SARS-CoV-2-spezifischen T-Zellen bei milden COVID-19-Patienten. Völlig unerwartet hatten hauptsächlich CD4 SARS-CoV-2-spezifische T-Zellen bei milden Patienten an Tag 1 zugenommen, mit einer durchschnittlichen Menge von CD4 SARS-CoV-2-spezifischen TCR-Klonotypen, die sechsmal höher waren, als die von CD8-T-Zellen

 Als weiteres einzigartiges Ergebnis unserer Studie wurden reife DC die alle wichtigen funktionellen Marker exprimieren, in einem frühen Stadium bei leichten, aber nicht hospitalisierten Patienten stark erhöht gefunden. Die Vorstellung, dass frühe koordinierte DC- und CD4/CD8-T-Zell-Reaktionen tatsächlich eine funktionelle Rolle bei der SARS-CoV-2-spezifischen Immunität spielen, wurde auch durch die Korrelation zwischen reifen DC und CD38 +CD8 T-Zellen im Frühstadium (Tag 1) mit Antikörperreaktionen drei Wochen später (Tag 21) unterstützt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass geeignete und hochgradig koordinierte DC und antigenspezifische T-Zellen im Frühstadium entscheidend sind für die Entwicklung einer schützenden adaptiven Immunantwort in einem späteren Stadium, was der Schlüssel für ein langfristig günstiges Ergebnis bei nicht hospitalisierten leichten COVID-19 Patienten ist. Unsere Daten deuten auf eine schützende Rolle des Typ-I-Interferons IFNb die in der sehr frühen Phase von COVID-19 nach einer kürzlichen Exposition gegenüber SARS-CoV-2 entscheidend sein können. Eine weitere wichtige Beobachtung unserer Studie war, dass in einem frühen Stadium eine geringere Häufigkeit und funktionelle Beeinträchtigung von Zellen des angeborenen Immunsystems, wie nicht-klassische Monozyten (ncMono), DC (pDC und mDC) und NK-Zellen, nur bei hospitalisierten COVID-19-Patienten vorkam. Sowohl die Menge von ncMono und die Expression ihrer wichtigsten funktionellen Marker, wie CD80, CD86, PD-L1 und CD13, waren nur bei hospitalisierten Patienten deutlich reduziert.

Bemerkenswert ist, dass die Menge von reifen DC wurde sowohl bei milden als auch bei hospitalisierten Patienten und ihren funktionellen Untergruppen frühzeitig induziert war. Die gesamten DC und sub-sets wie ihre wie z. B. CD86-CD80+-Zellen, waren nur bei hospitalisierten Patienten deutlich reduziert.  Im Gegensatz zu der koordinierten Reaktion bei milden Patienten haben unsere Daten ergaben, dass die angeborenen Immunzellen ausschließlich bei hospitalisierten Patienten stark gestört sind.

Mit wenigen Ausnahmen7 war bisher viel weniger bekannt über schützende Anti-SARS-CoV-2-Immunreaktionen bei nicht-hospitalisierten Patienten mit leichter COVID-19-Infektion. Unsere aktuelle Arbeit bietet nun eine erste Quelle, die systematisch die Entwicklung hochgradig koordinierter Immunreaktionen im Frühstadium bei milden COVID-19-Patienten beschreibt.  Wir haben die Menge von CD38+ unter den CD8-T-Zellen und von reifen DCs in einem frühen Krankheitsstadium (maximal drei Tage nach der PCR-Diagnose) als äußerst robuste und sogar bessere Prädiktoren für humorale Reaktionen nach drei Wochen entdekt, die besser vorhersagen als frühe Plasmablastenreaktionen, was auf eine kritische Rolle der DC-Aktivierung bei der Koordinierung sehr früher antigenspezifischer T-Zell- und späterer Antikörperreaktionen hinweist.

Die in unserer Studie identifizierten Immunsignaturen lassen sich also zur Vorhersage von schützenden Immunantworten bei geimpften Personen frühzeitig vorherzusagen. Unsere Entdeckungen stehen sogar im Einklang mit einem kürzlich erschienenen Bericht, der zeigt, dass die mRNA-Impfung schnelle und reichhaltige antigenspezifische CD4-T-Zell Reaktionen bei naiven SARS-CoV-2-Teilnehmern nach der ersten Dosis50 hervorruft, was mit unseren Befunden bei milden COVID-19-Patienten abbildet, was darauf hindeutet, dass die Erkenntnisse aus unserer Studie allgemeinere Auswirkungen auf das Verständnis und die weitere Entschlüsselung der SARS-CoV-2-spezifischen Immunität haben werden. In unserer Kohorte konnten wir keine eindeutige schützende Immunsignatur im peripheren Blut von PCR-positiven asymptomatischen Personen in allen zellulären und humoralen Immunanalysen feststellen. Auch wenn die Stichprobengröße in unserer asymptomatischen Kategorie relativ klein war, ist die wahrscheinlichste Erklärung dieses Ergebnisses, dass eine gewebegebundene Immunantwort eine größere Rolle spielt als eine systemische Immunantwort, bei der die antivirale Immunität hauptsächlich lokal durch vor-aktivierte angeborene Immunstimulation in Epithelzellen der oberen Atemwege erfolgt, wie kürzlich in einer pädiatrischen Kohorte51 gezeigt wurde.