淋巴类器官芯片 可用于预测人类对疫苗反应

SARS-CoV-2的快速突变和进化，让人们认识到必须同样迅速地开发疫苗，以提供对新出现的病毒株的保护。然而，预测候选疫苗在人类中的免疫原性仍然是一个挑战。动物模型——包括人源化小鼠模型——虽然对于免疫研究很有用，但实验动物与人类的免疫系统存在差异性，使之并不能准确预测人类群体的免疫原性。另外，人类对疫苗的反应也可能有很大差异，这部分取决于他们的个人感染史和疫苗接种史。例如，二价mRNA COVID疫苗被证明并不会比最初的单价疫苗更有效地对抗新出现的Omicron变体。巴斯德研究所病毒和免疫组组长Lisa Chakrabarti表示：“COVID-19大流行强调了临床前系统——以快速评估候选疫苗引起的免疫反应——的必要性，特别是在特定的高风险人群中。”

为了开发出更好的替代临床前系统，法国巴斯德研究所的研究人员开发出人造的“淋巴器官芯片”，这种芯片可以重现人体免疫系统对加强疫苗的大部分反应。文章于9月6日发表在《Journal of Experimental Medicine》上，可被用于评估针对各种传染病的新型蛋白质和mRNA强化疫苗的是否有效。

研究背景

免疫系统对疫苗的反应是在次级淋巴器官——如淋巴结和脾脏——中协调的，各种类型的免疫细胞聚集在一起，相互作用，刺激产生特定抗体的B细胞的发展。由于次级淋巴器官(SLO)为抗原(Ag)特异性B淋巴细胞和T淋巴细胞合作并产生有效的适应性免疫应答提供了足够的微环境，体外重建基于人细胞的次级淋巴器官模型，特别是重建SLO典型的三维(3D)环境以促进细胞运动和细胞间相互作用，从而增加Ag和Ag特异性细胞之间相遇的机会，进而研究体外适应性免疫反应，成为一种研究方向。然而，组织外植体由于其半衰期短而不适用于抗体产生的研究——直到Wagar等人开发了游离扁桃体细胞的长期培养(≥2-3周)，这些细胞自发地重新组装成淋巴样聚集体(Wagar等人，2021)的扁桃体类器官并在几种病毒疫苗刺激下表现出类开关重组和抗体产生，因此被证明可用于比较人类对不同疫苗接种方式的体外免疫反应。但是穿刺具有侵入性且采样量有限。

研究亮点

Chakrabarti的团队开发了一种基于微流控芯片的淋巴器官芯片(LO芯片)模型，该微流控芯片在3D胶原基质中高密度植入人体外周血单核细胞(PBMC)，构建了人工版本的淋巴类器官。采用3D培养外周血单核细胞(PBMC)不需要侵入性淋巴组织采样，用富含胶原/纤维蛋白等细胞外基质(ECM)成分的水凝胶来模拟淋巴样结构的3D环境。确保3D培养物连续灌注的微流体系统进一步增加了淋巴细胞的粘附、迁移和分化，因为生理水平的剪切应力促进了整合素功能和趋化因子的产生。此外，在微流控装置中，营养物质的持续更新和氧合水平的控制使培养的细胞密度达到接近淋巴器官的水平。增加的迁移能力和高细胞密度都促进了罕见的抗原特异性CD4+ T细胞和B细胞的相遇。“持续灌注抗原和营养的微流控芯片极大地促进了免疫细胞的生长和激活，”领导巴斯德微流控平台并参与这项研究的Samy Gobaa解释说。

在这种淋巴类器官芯片（LO芯片）中灌注SARS-CoV-2刺突蛋白模拟了疫苗刺激：血液样本中的B细胞和T细胞变得活跃并聚集在一起，就像在体内的淋巴器官中一样；B细胞成熟为刺突特异性记忆B细胞并扩增、浆母细胞分化、刺突特异性抗体的分泌。淋巴组织的特征——包括活化的CD4⁺ T细胞/B细胞簇的形成和成熟的浆母细胞的迁移——在LO芯片中得以重现。

由于人类血液样本中存在多种其他免疫细胞类型，这使得淋巴类器官芯片也能对基于mRNA的COVID疫苗产生反应——髓细胞能够捕获和表达由脂质纳米颗粒载体的mRNA，从而能够评估对mRNA疫苗的反应。与现实世界的结果相似，对SARS-CoV-2武汉株单价和武汉株/Omicron二价mRNA疫苗增强剂的LO芯片上反应进行比较，显示二者诱导的Omicron中和抗体相近，二价疫苗在诱导Omicron中和抗体方面一般并不比单价疫苗更有效，这表明在体内存在免疫印记（ immune imprinting，指免疫系统在遇到相似病原体的新变异时，产生的免疫反应可能会偏向于首次遇到的病原体，而不是新遇到的病原体）。

然而，通过比较来自不同供者血液样本的淋巴类器官芯片，Chakrabarti和同事们能够观察到各种不同的反应：来自一些供者的芯片对两种mRNA疫苗的反应都一样好，而来自其他供者的芯片对其中一种疫苗的反应更强。“这说明了人群免疫史的多样性，以及由此产生的疫苗反应的个体差异，”Raphaël Jeger-Madiot说。

Chakrabarti补充说：“面对这种可变性，淋巴类器官芯片可以提供一个有用的临床前系统，以评估候选疫苗在不同人群中诱导针对当前SARS-CoV-2突变的中和抗体的能力。面对迅速演变的SARS-CoV-2大流行，这应该是一项有用的资产。”因此，淋巴类器官芯片代表了一个适用于疫苗增强策略临床前评估的多功能平台。