大规模免疫谱分析揭示流感病毒进化机制

该研究今日以“经评审预印本”形式发表于《eLife》，采用基于高通量测序的检测方法，量化了儿童和成人群体对当前流行H3N2流感毒株的抗体免疫水平。编辑团队评价其为一项重要研究，增进了我们对群体层面免疫的理解，并指出证据的说服力极强。这项工作将引起免疫学家、病毒学家、疫苗研发人员以及从事传染病数学模型研究人员的兴趣。

流感病毒通过积累突变来逃避免疫系统因既往感染或疫苗接种产生的抗体。这一过程意味着人类一生中可能多次重复感染流感，疫苗也必须定期更新以保持效力。人体对流感的免疫反应受多种因素影响，包括个体既往接触过的毒株。

"人群内感染史和疫苗接种史的差异，意味着群体对特定流感变种的免疫存在高度差异，"共同第一作者、西雅图华盛顿大学基因组科学系及西雅图弗雷德·哈钦森癌症中心基础科学部计算生物学项目医学博士/博士生卡罗琳·基卡瓦（Caroline Kikawa）表示。"理解群体中抗体的这种多样性如何影响新流感毒株的进化成功一直充满挑战，部分原因是传统的抗体水平定量方法速度过慢，每次只能评估少量样本。" 基卡瓦与弗雷德·哈钦森癌症中心基础科学部计算生物学项目高级作者杰西·布鲁姆（Jesse Bloom）实验室的资深科学家兼实验室经理安德里亚·洛斯（Andrea Loes）共同担任该研究的领衔作者。

为应对这一挑战，基卡瓦、洛斯及其同事开发了高通量中和检测法，用于测量个体血清样本（血液中含抗体的成分）阻断一组不同流感病毒感染的能力。高通量指的是该检测方法能同时处理大量数据。

研究团队构建了表达78种不同血凝素（HA）蛋白的病毒，这些蛋白来自2023年流行流感病毒及近期疫苗株，并为每种病毒添加了独特的遗传"条形码"。HA蛋白是病毒中被抗体识别的部分，可快速变异以逃避免疫反应。团队将这些病毒与血清混合，采用Illumina测序技术量化每种病毒的中和程度。

利用该方法，研究人员使用2023年在美国采集的150份儿童和成人血清样本，测量了针对78种流感变体的中和效价（即中和病毒所需的血清量）。他们总计获得超过11,000个独立效价测量值，绘制出2023-2024流感季初期群体免疫的详细图谱。

结果显示个体间中和反应存在巨大差异。例如，部分儿童血清样本能强效中和几乎所有测试毒株，而其他样本反应则弱得多。成人通常表现出更一致的免疫力，但个体间仍存在显著差异。总体而言，中和反应率最高的情况出现在部分儿童群体中，这与中和抗体反应在生命头几十年接触的毒株中最强的观点一致。这也可能因为儿童更易感流感，因而更可能经历近期免疫激活。这些发现凸显了流感免疫的高度个体化特征。

为评估这种变异如何影响病毒进化，研究人员将中和效价与2023年流感季各毒株的增殖速率进行比对。他们采用名为"多项逻辑回归"的统计模型，分析人群中每种毒株随时间变化的频率，并将其与血清样本中对各毒株呈低中和效价的比例进行关联分析。

研究发现，传播最成功的毒株正是在更大比例血清中逃脱中和的毒株。具体而言，当高比例个体的效价低于特定阈值（表明对该毒株免疫力较弱）时，毒株更可能增加流行频率。这表明基于大规模测序的中和检测有助于深化对流感病毒进化的理解。

这种相关性在使用单个血清样本测量中和时成立，但在混合血清样本时消失。某些病毒监测系统使用混合血清样本评估群体免疫，但该发现表明混合测量可能无法捕捉个体反应的全部范围。

"我们的研究证明，个体水平的免疫差异（而不仅是群体平均免疫力）是决定哪些流感毒株最成功的关键因素，"洛斯指出。

尽管研究涉及大量效价测量，作者指出样本采集自有限地域和年龄组。多数儿童样本来自西雅图某医院，成人样本则取自费城和澳大利亚的疫苗接种队列。因此数据集可能无法完全反映全球免疫模式。

"这仍是迄今最大规模将人类抗体免疫与流感毒株群体传播成功相关联的数据集之一，"资深作者、霍华德休斯医学研究所研究员、弗雷德·哈钦森癌症中心基础科学部及赫博尔德计算生物学项目教授、华盛顿大学基因组科学系客座教授杰西·布鲁姆强调。"它为理解多样化的免疫史如何影响病毒进化提供了框架。这些方法可通过提供更详尽的群体免疫信息，补充现有监测系统并支持疫苗组分决策。"