由 SARS-COV-2 引起的 COVID-19 是一种潜在的致命疾病，已经成为全球严重的卫生紧急情况。严重的后果与破坏抗病毒和免疫反应有关，包括受损的 I 型干扰素反应和改变 T淋巴细胞(T)和 B淋巴细胞(B)细胞动态。由于不同的因素，如病毒剂量、毒株和合并感染等临床特征，精确检测免疫应答具有挑战性。了解 SARS-COV-2 感染的动态变化，特别是接触的早期阶段，是至关重要的。研究往往忽略了在自然感染中捕捉这些早期事件，这使得精确定位抗原应答 T细胞激活和扩张困难。需要进一步的研究，以准确描述对 SARS-COV-2 的早期免疫反应动力学，从而更好地理解和减轻严重的 COVID-19 结果。

16 名年龄在 18-30 岁的健康成年人参加了人类 SARS-COV-2 挑战研究，进行单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)样本处理和分析。这项研究由伦敦帝国理工学院、皇家自由伦敦国民保健服务基金会信托基金、伦敦大学学院和哈弗里的一个政府工作队于 2021 年 6 月 至 8 月进行。此外，来自早期队列的 20 名健康成年人进行了血液和鼻咽样本的大量核糖核酸 (RNA)测序处理以后，有 10 人接受先发制人的治疗。志愿者接受了 SARS-COV-2 抗体的筛查，如果阳性则排除在外。这项研究遵循了道德准则，并获得了所有志愿者的知情同意。

11 名参与者，接种前抗体水平低，被归类为流产感染，这没有改变研究的结论。接种后对参与者进行了一年的随访，在最后的时间点没有报告长时间的 Covid 症状。生理观察正常。出院后，两名参与者报告在第 28 天随访前接受了疫苗或社区感染。酶联免疫斑点 (ELISpot) 检测显示随后的样品有免疫应答。参与者经鼻接种了野生型前 α型 SARS-CoV-2 病毒，并收集了鼻腔和喉咙样本以评估病毒动力学。处理鼻咽拭子和外周血单核细胞 (PBMCs) 进行单细胞测序以分析免疫应答。

在本研究中，16 名血清阴性的年轻人经鼻接种了前 α 型 SARS-CoV-2 病毒株。广泛筛查排除了有严重疾病危险因素或合并症的参与者。参与者接受最低的可量化接种剂量，没有导致严重的不良事件和缓解的症状。

该研究分析了单细胞分辨率下的局部和系统免疫反应。在接种前进行基线测量，随后进行血液和鼻咽细胞反应的时间序列分析。6 名参与者发展为持续感染，通过连续的病毒载量检测和症状来定义。3 个人进行了零星阳性聚合物链反应 (PCR) 试验，并被归类为暂时感染。7名参与者仍然是 PCR 阴性，但显示早期先天免疫反应，称为流产性感染。感染率与未接种疫苗的封闭家庭中的感染率相似。

在多达 7 个时间点进行 scRNA-seq 和单细胞 T细胞受体 (TCR) 和 B细胞受体 (BCR) 测序。转录组和表位的细胞索引测序 (CITE-seq) 定量了 123 个 pbmc 表面蛋白。共生成了 60 多万个单细胞转录组，包括 371,892 个 pbmc 和 234,182 个鼻咽细胞。预测模型和标记基因表达注释了 202 个细胞状态，使详细的局部和系统反应分析成为可能。

广义线性混合模型 (GLMMS) 量化了细胞型丰度随时间的变化。暴露于 SARS-CoV-2 后免疫细胞类型浸润接种部位。持续感染在第 5 天开始出现免疫浸润，而短暂感染在第 1 天立即出现免疫浸润。流产感染除了早期 cd4 + 和 CD8+ T细胞浸润外，几乎没有变化。

基因表达分析显示，干扰素应答基因是持续感染中主要的感染诱导模块。干扰素信号在血液和鼻咽部的所有细胞类型中都被激活，在血液中达到峰值的时间更早。大量 RNA-seq 数据验证了这种快速的全身反应。早期感染时观察到骨髓细胞在循环和组织之间的再分布。在所有感染组中检测到粘膜相关不变性 T (MAIT)细胞激活，表明快速的病毒感知。病毒 RNA 在第 7 天达到峰值，高度感染的纤毛细胞被认为是主要的病毒粒子产生者。

纤毛细胞表现出动态反应，包括急性期和干扰素刺激状态。通过多肽-主要组织相容性复合体 (MHC) 染色和 scRNA-seq 鉴定，激活的T细胞在接种后第 10 天显著扩增，类似于典型的抗原特异性适应性免疫反应。

该研究揭示了临床症状之前的多种免疫反应状态，包括 MAIT 细胞激活和炎症单核细胞减少。即使在 SARS-CoV-2 暴露不会导致 COVID-19 的情况下，这些反应也会出现，这表明它们有可能成为即时免疫反应的生物标志物。在持续感染中，鉴定出纤毛细胞中新的急性期反应 (APR) 和具有 SARS-CoV-2 特异性 TCRs 的活化 T细胞的不同状态。干扰素信号在感染部位之前在循环免疫细胞中被全局激活。这些发现为 SARS-CoV-2 的早期免疫反应提供了详细的时间分辨描述。