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Cell | “新冠肺炎单细胞研究中国联盟”揭示新冠肺炎免疫学特征

2021-02-18

  新型冠状病毒肺炎(COVID-19)爆发以来,全球感染人数已超过一亿人,死亡病例已超过两百万人,给全球社会经济带来了极大灾难。认识和理解新冠肺炎发病机理对于诊疗与防控具有重要意义。单细胞转录组测序技术在生命科学各个领域的广泛应用催生了许多重要的生物学发现,然而,该技术在新冠肺炎研究中的应用因其成本高、样本量小,存在统计效力不足、结论可靠性疑问等问题。 

  为在快速解决这一难题,我国十多个省市四十多家医院大学和研究机构在20205月自发组建了新冠肺炎单细胞研究中国联盟(Single Cell Consortium for COVID-19 in China (SC4))”,旨在协同建立新冠肺炎单细胞转录组大队列大数据,为揭示新冠肺炎发病机制和免疫学特征发出中国的声音。经过四个半月的日夜奋战,联盟共获得196个新冠病人(包括正常对照)的284个样本(包括痰液、肺泡灌洗液、胸水、外周血等)超过25T150万个细胞的单细胞转录组测序数据,并迅速完成了数据整合与分析,揭示了新冠病毒感染机制和在不同疾病发病阶段机体免疫反应特点。该研究成果于20209月以“COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas”为题投稿至Cell杂志,202123日在线发表。 

  本项研究发现,除了传统认为的呼吸系统上皮细胞以外,多种免疫细胞中被检测到新冠病毒核酸序列,包括中性粒细胞、巨噬细胞、浆细胞、T细胞和自然杀伤细胞之中,其表达特征也呈现出了亚基因组转录特点,提示新冠病毒在这些免疫细胞中曾经发生过活跃的转录与复制,亦即不能排除新冠病毒宿主细胞范围不仅包括上皮细胞还包括免疫细胞的可能。这可能是新冠病毒区别于SARS的重要特点,也可能是新冠病毒具有较强传染力的原因。这一发现与新冠病毒核酸阳性细胞具有较强的干扰素反应一致,并且通过对新冠病毒S蛋白进行组织切片染色得到了证实。有趣的是,新冠受体蛋白ACE2在免疫细胞中几乎不表达,提示新冠病毒可能存在潜在的新受体来感染宿主细胞。 

  进一步生物信息学分析发现,不同的上皮细胞在新冠病毒感染后会引发不同的反应。病毒核酸阳性和阴性的纤毛上皮细胞、分泌型上皮细胞以及鳞状上皮细胞分别具有不同的差异基因表达。新冠病毒阳性的纤毛上皮细胞更倾向于从组织上脱落下来不引起免疫反应;而新冠病毒阳性的鳞状上皮细胞会倾向于增强其与中性粒细胞、巨噬细胞的相互作用,推测是利用ANXA1-FPR1S100A8/9-TLR4配体-受体分子,触发与启动机体的免疫反应。新冠病毒阳性的鳞状上皮细胞会上调ANXA1S100A8S100A9,和在中性粒细胞、巨噬细胞上高表达的FPR1TLR4发生相互作用,从而触发机体的天然免疫反应。值得注意的是,ANXA1S100A8/9会在发病期重症病人的外周血中的免疫细胞中普遍上调表达,提示重症病人可能发生了由ANXA1-FPR1S100A8/9-TLR4介导的全身的系统免疫反应风暴。 

  本研究也为解析新冠肺炎严重程度、病程阶段、年龄、性别以及其他技术因素对机体外周血中免疫细胞组成的影响奠定了基础。方差分析显示,新冠肺炎的重症病人外周血中会有更高比例的增殖中的浆细胞与T细胞,而总体T细胞水平显著低于轻症病人或健康对照以及康复期病人。这些升高的增殖的浆细胞与T细胞与疾病严重程度存在显著的统计相关性;而B细胞整体更倾向于与发病阶段相关,即在康复期有较高的B细胞水平。流行病学研究揭示了年龄和性别和新冠患者病症有关。本研究发现,年龄主要和中性粒细胞、幼稚CD8+ T细胞相关,性别差异主要体现在效应T细胞。年龄与性别不仅会影响外周血不同免疫细胞亚群的水平高低,而且会影响B细胞或者T细胞受体谱的多样性。年龄大的患者的B细胞或T细胞谱的多样性较低,男性的较低,可能与机体的整体免疫力相关。 

  虽然细胞因子风暴在新冠肺炎的致病机制中存在一定的争议,但本研究为揭示细胞因子的潜在细胞源头提供了详实的证据。其中,巨核细胞以及单核细胞的部分亚群会高表达各类细胞因子,并在重症病人中具有更高的表达水平,是潜在的细胞因子风暴的来源。基于血浆的细胞因子检测实验证实了这些细胞在细胞因子风暴中的潜在作用。由于部分细胞因子是分泌型的,这些细胞因子也构成了外周血与肺部感染病灶相互作用的桥梁,形成了复杂的机体细胞因子相互作用网络。 

  面对新冠疫情的重大考验,中国科学家自发组织的单细胞测序联盟在短期内建立的新冠肺炎大队列和单细胞大数据,为揭示新冠肺炎发病机制和免疫特征提供了新认识和新线索,对于进一步更加有效地防控和治疗新冠肺炎具有重要意义。 

  中国新冠肺炎单细胞研究联盟的成员单位包括:北京大学、海军军医大学、广州生物岛实验室、深圳湾实验室、首都医科大学附属佑安医院、中国科学技术大学、深圳第三人民医院、哈尔滨工业大学、中国科学院生物物理研究所、中山大学、中国医学科学院血液病医院(血液学研究所)、陆军军医大学、北京师范大学、百奥智汇生物科技有限公司、广州医科大学附属广州第八人民医院、广州医科大学第一附属医院、中国科学院广州生物医药健康研究院、上海市公共卫生临床中心、武汉大学人民医院、华中科技大学、上海交通大学医学院上海市免疫学研究所、中国人民解放军总医院第五医学中心、黄岗中医院、汕头大学医学院附属粤北人民医院、首都医科大学附属世纪坛医院、复旦大学等单位。10X Genomics和百奥智汇公司为本次研究提供了大力支持。 

  

   (来源:BioArt 

  原文出处:Xianwen Ren, Wen Wen, Xiaoying Fan, et al. COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas[J]. Cell. Published:February 03, 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.053. 

  链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00148-3 

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