单细胞技术揭示COVID对中枢神经系统的影响
从轻微的头痛和头晕到可能改变生活的癫痫和中风，COVID对大脑的影响是不容忽视的，这种影响也被称为Neuro-COVID[1,2]。最近对COVID住院患者的一项调查报告称，多达80%的研究参与者经历了至少一种新的神经系统症状，其中55%的人曾对该症状进行过临床评估[3]。
Neuro-COVID是中枢神经系统（CNS）直接受损的一种结果吗？
失调的免疫反应是罪魁祸首吗？
它是否表现为感染并发症（如缺氧）的间接后果？
以上这些都是全球研究人员一直在试图解决的问题。在本期推送中，我们将介绍2个通过单细胞测序技术研究Neuro-COVID的案例。
案例1：Neuro-COVID中的免疫介导机制
Heming等人对免疫系统如何促成Neuro-COVID进行了研究。旨在创建这些患者脑脊液（CSF）的无偏单细胞转录图谱[4]。他们评估了8名Neuro-COVID患者脑脊液中细胞的转录谱。还对来自病毒性脑炎（VE；5名患者）、多发性硬化症（MS；9名患者）和特发性颅内高压（IIH；9名患者）患者的样本进行了分析，共产生了80,919个单细胞转录组。
研究人员比较了使用单细胞测序技术产生的细胞簇组成，发现Neuro-COVID患者的CSF包含在IIH和VE样本中未见的扩大的单核细胞样簇。这种单核细胞样簇表现出增强的抗原呈递特征，但降低了小胶质细胞基因组、泛单核细胞标记和边界相关巨噬细胞标记的表达。因此，这些细胞可能分化到一个类似于发育巨噬细胞的程度。
接下来，研究人员评估Neuro-COVID的转录变化特征。干扰素驱动的转录本和耗尽的T细胞群在Neuro-COVI样本中有所增加。然而，这种增加的抗病毒转录反应不如VE中所见的那么强。与VE相比，Neuro-COVID样本确实显示出与稳态小胶质细胞/边界相关巨噬细胞相关的基因的更高表达。进一步的分析表明，与较轻的COVID病例相比，严重的COVID病例与潜在的抗病毒反应受损相关。最后，使用单细胞免疫分析测定的T细胞受体测序表明，严重的Neuro-COVID与广泛的克隆T细胞扩增有关。
案例2：对大脑的直接损害
Heming等人的研究中强调了“这些可疑的Neuro-COVID发展机制并不相互排斥，并且可能在个体患者中共存。”毕竟，生物学机制如果不复杂，那也就意味着没有研究价值了。2020年的一些研究提供了在某些脑细胞中可检测到SARS-CoV-2病毒以及大脑免疫细胞激活的证据，这也可能是导致Neuro-Covid出现危险的神经炎症特征的一个因素[5-7]。
然而，由于缺乏可用的脑组织和细胞样本，使得研究COVID对大脑的影响变得复杂。因此，Wang等人开始创建一个体外模型，该模型由分化为周细胞样细胞（PLCs）的人类多能干细胞（hPSCs）创建，可用于研究脑细胞的SARS-CoV-2感染[8]。周细胞是与神经元分化、神经炎症和血脑屏障通透性相关的脑细胞[9]，正如作者所证明的，周细胞表达ACE2 RNA和蛋白质，可以感染SARS-CoV-2。
为了创造一个更具生理相关性的环境来研究这些细胞的SARS-CoV-2感染，研究人员生成了一个3D“组装体”，其中PLC与皮质脑类器官集成在一起。一旦整合到组装体中，PLC就被确定为与星形胶质细胞相互作用，其方式与它们在大脑神经血管单元中的相互作用非常相似。
单细胞测序用于在存在和不存在SARS-CoV-2感染时对这些组装体进行表征。有趣的是，只有在PLC存在的情况下，才能主要在类器官的星形胶质细胞中检测到SARS-CoV-2，这表明星形胶质细胞感染是由PLC介导的。进一步的研究表明，受感染的星形胶质细胞表现出受I型干扰素途径控制的炎症和基因毒性应激反应。这些发现支持这样一种观点，即病毒复制中心可能存在于大脑中，允许病毒感染传播到神经细胞，换句话说，允许直接损伤。
对于Neuro-COVID的研究才刚刚开始
随着COVID病例的持续存在和新变种的出现，了解这些神经系统症状的根源对于帮助患者在初始感染后很长时间内的恢复至关重要，特别是因为这些表现通常会影响到COVID初次感染后很长一段时间里出现的健康问题[10]。正如这两项研究所证明的，单细胞测序正在成为了解CNS样本中这一复杂过程的重要工具。
参考文献：
[1] Ellul MA, et al. Neurological associations of COVID-19. Lancet Neurol 19: 767–783 (2020). doi: 10.1016/S1474-4422(20)30221-0
[2] Marshall M. COVID and the brain: researchers zero in on how damage occurs. Nature 595: 484–485 (2021). doi: 10.1038/d41586-021-01693-6
[3] Chou SHY, et al. Global incidence of neurological manifestations among patients hospitalized with COVID-19-A report for the GCS-NeuroCOVID Consortium and the ENERGY Consortium. JAMA Netw Open 4:e2112131 (2021). doi: 10.1001/jamanetworkopen.2021.12131
[4] Heming M, et al. Neurological manifestations of covid-19 feature T cell exhaustion and dedifferentiated monocytes in cerebrospinal fluid. Immunity 54:164–175.e6 (2021). doi: 10.1016/j.immuni.2020.12.011
[5] Matschke J, et al. Neuropathology of patients with COVID-19 in Germany: a post-mortem case series. Lancet Neurol 19: 919–929 (2020). doi: 10.1016/S1474-4422(20)30308-2
[6] Meinhardt J, et al. Olfactory transmucosal SARS-CoV-2 invasion as a port of central nervous system entry in individuals with COVID-19. Nat Neurosci 24:168–175 (2020). doi: 10.1038/s41593-020-00758-5
[7] Kantonen J, et al. Neuropathologic features of four autopsied COVID-19 patients. Brain Pathol 30: 1012–1016 (2020). doi: 10.1111/bpa.12889
[8] Wang L, et al. A human three-dimensional neural-perivascular ‘assembloid’ promotes astrocytic development and enables modeling of SARS-CoV-2 neuropathology. Nat Med 27: 1600–1606 (2021). doi: 10.1038/s41591-021-01443-1
[9] Sweeney M, Ayyadurai S & Zlokovic B. Pericytes of the neurovascular unit: key functions and signaling pathways. Nat Neurosci 19, 771–783 (2016). doi: 10.1038/nn.4288
[10] The Lancet Neurology. Long COVID: understanding the neurological effects. Lancet Neurol 20: 247 (2021). doi: 10.1016/S1474-4422(21)00059-4
