文献解读|致死性COVID-19分子单细胞肺图谱

为了探究感染SARS-CoV-2后肺组织水平的宿主反应，伦比亚大学欧文医学中心研究人员利用单细胞转录组测序技术，对死于COVID-19 并接受快速尸检的个体进行研究，确定了新冠感染患者的肺组织细胞组成、转录细胞状态和细胞间相互作用的重大变化，为在单细胞分辨率下COVID-19的病理生理学特征提供了新的见解。相关成果于2021年7月发表于Nature杂志（IF：49.962）。

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致死性COVID-19分子单细胞肺图谱

A molecular single-cell lung atlas of lethal COVID-19

发表杂志：Nature（IF：49.962）；

发表时间：2021年7月；

应用技术：10x Genomics单细胞转录组测序；

研究背景

此前，对健康个体的单细胞转录组测序分析揭示了SARS-CoV-2进入所需的宿主受体的组织分布，通过对不同严重程度COVID-19患者的支气管肺泡灌洗液和血液的检查，确定了SARS-CoV-2感染对免疫反应和细胞因子失调的影响。然而，由于接触患者组织的实际限制，SARS-CoV-2在肺组织水平上的影响尚不清楚。本研究建立了一个快速尸检项目，在COVID-19患者死亡数小时内收集了快速冷冻的器官样本，对COVID-19死亡个体和对照个体的肺样本进行了10x Genomics单细胞核转录组测序，为深入了解COVID-19的病理生理学及进一步研究提供了关键资源。

主要结果

1.COVID-19中的肺细胞景观

收集19例COVID-19患者（12名男性和7名女性），中位年龄为72岁，对照组为7例（4名男性和3名女性），中位年龄为70岁。利用单细胞核转录组测序构建了包含116,314个细胞核的肺单细胞图谱，来自COVID-19患者细胞79,636个，对照组细胞36,678个。共鉴定到9种细胞类型：上皮细胞（n = 30,070）、髓细胞（n = 29,632）、成纤维细胞（n = 22，909）、内皮细胞（n = 5,386）、T细胞和NK细胞（n = 16,751）、B和浆细胞（n = 7,236）、神经细胞（n = 2,017）、肥大细胞（n = 1,464）和抗原递呈细胞（n = 849）。发现COVID-19和对照组肺部的细胞组分在整体上、免疫和非免疫区存在显著差异。由于肺泡II型（AT2）和I型（AT1）细胞的丢失，以及单核细胞/巨噬细胞、成纤维细胞和神经元细胞的增加，上皮细胞区室减少，这些结果与供体性别无关。

研究设计和细胞图谱

2.髓系细胞异常激活

髓系细胞是COVID-19肺中的主要细胞成分，比对照组肺中更普遍。本研究鉴定到单核细胞（n = 3,176）、单核细胞来源的巨噬细胞（MDM，n = 9,534)、过渡MDM（n = 4,203） 和肺泡巨噬细胞（n = 12,511）在扩散成分（DC）分析中被恢复为不同的轨迹，并且在COVID-19肺中更常见，来自COVID-19患者的髓系细胞被高度和异常激活。值得注意的是，COVID - 19 肺泡巨噬细胞表现出肿瘤相关巨噬细胞受体AXL的mRNA和蛋白表达显著降低，AXL是一种受体酪氨酸激酶，对组织再生过程中凋亡细胞的协调清除和随后的抗炎调节非常重要，这些结果表明，髓系细胞是COVID-19炎症失调的主要来源。

3.血浆和T细胞反应

为了了解肺中抗SARS-CoV-2感染的体液免疫，本研究鉴定了浆细胞，并通过在每个细胞基础上测定可变重链（IGHV）和轻链（IGLV）的mRNA共表达和同型来重建免疫球蛋白。对T/NK细胞分群，鉴定到了CD8+ T细胞（n = 3,561）、 Treg细胞（n = 649）、其他CD4+ T细胞（n = 7,586）和NK细胞（n = 2,141），发现COVID-19肺部中T细胞丰度没有显著增加，只有与T细胞激活和组织驻留相关的细胞因子和程序适度上调。这些数据表明，尽管可能存在足够的体液免疫反应，但 T 细胞反应不足仍可能会导致 COVID-19的致命性结果。

COVID-19的免疫反应

4.肺泡上皮再生受损

在上皮细胞内，鉴定到肺泡上皮细胞（AT1和AT2细胞，n=20,949）、气道上皮细胞（基底细胞、纤毛细胞、柱状细胞、杯状细胞和黏液细胞，n = 7,223）、以炎症和细胞周期基因表达为特征的细胞亚群（“周期上皮”，n = 609）、高表达细胞外基质（ECM）成分的细胞亚群（n = 1,179）。

对照组肺中的AT2和AT1细胞形成了不同的亚群，并在差异基因表达（DGE）分析中显示了预期的变化。COVID-19肺中AT2和AT1细胞的聚集更少离散，大部分细胞与对照细胞没有重叠，来自COVID-19肺的AT2和AT1细胞的Marker基因表达较低，COVID-19 AT2细胞显示ETV5 表达下调，表明AT2细胞已启动再生程序。CAV1 是AT1晚期成熟的标志物，在COVID-19肺部的AT1细胞中表达水平显著降低。以上数据表明了COVID-19肺中AT2细胞向AT1细胞的不完全转变。

最近的研究表明，炎症可以诱导一种细胞状态，其特征是不能完全过渡到AT1细胞，这被称为损伤相关的瞬时祖细胞（DATP）。我们利用DATP相关标记基因的表达开发了一种DATP标记，发现COVID-19肺泡上皮细胞在这一特征的表达上得分明显高于来自对照组。DATP主要定位于AT2和AT1细胞之间，DATP的基因集富集分析（GSEA）显示了对TNFα和p53信号的富集，以及HIF-1α参与的缺氧反应。

在COVID-19中，DATP比对照组肺部更常见，另外观察到AT1细胞丰度随着症状发作至死亡时间的增加而逐渐丧失，这些数据表明，除了病毒感染直接破坏肺泡上皮外，COVID-19患者的肺再生过程也受到损害。

肺泡上皮细胞组成及相关基因的表达

5.病理性成纤维细胞和肺纤维化

COVID-19肺部的成纤维细胞明显多于对照组，纤维化程度与疾病持续时间相关，表明COVID-19中肺纤维化随时间增加。鉴定到5种成纤维细胞亚型：肺泡（n = 4,670）、外膜（n = 3,773）、病理（n = 2,322）、中度病理（n = 8,779）和其他（n = 1,099）。纤维母细胞亚群差异的主要驱动因素是COVID-19肺中病理或中间病理成纤维细胞（pFB）频率的增加。pFB强烈表达CTHRC1 以及病理ECM3 的基因，pFB频率的增加表明，pFB促进COVID-19患者肺纤维化的快速发展。

COVID-19的病理成纤维细胞和纤维化

研究结论

本研究表明COVID-19 患者的肺部高度发炎，异常活化的单核细胞衍生的巨噬细胞和肺泡巨噬细胞密集浸润，但 T 细胞反应受损。与其他病毒和细菌性肺炎相比，单核细胞/巨噬细胞来源的IL-1β 和上皮细胞来源的IL-6 是 SARS-CoV-2 感染的独特特征。AT2细胞主要停留在炎症相关的瞬时祖细胞状态（DATP），未能完全转变为AT1 型细胞，导致肺再生受损。此外，组织中积累的病理性成纤维细胞导致 COVID-19 中迅速发生肺纤维化。

参考文献

Melms JC, Biermann J, Huang H, et al. A molecular single-cell lung atlas of lethal COVID-19.Nature. 2021; 595(7865): 114-119.

李超   | 文案