Cell | “新冠肺炎單細胞研究中國聯盟”揭示新冠肺炎免疫學特徵

責編 | 兮

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）爆發以來，全球感染人數已超過一億人，死亡病例已超過兩百萬人，給全球社會經濟帶來了極大災難。認識和理解新冠肺炎發病機理對於診療與防控具有重要意義。單細胞轉錄組測序技術在生命科學各個領域的廣泛應用催生了許多重要的生物學發現，然而，該技術在新冠肺炎研究中的應用因其成本高、樣本量小，存在統計效力不足、結論可靠性疑問等問題。

爲在快速解決這一難題，我國十多個省市四十多家醫院大學和研究機構在2020年5月自發組建了“新冠肺炎單細胞研究中國聯盟(Single Cell Consortium for COVID-19 in China (SC4))”,旨在協同建立新冠肺炎單細胞轉錄組大隊列大數據，爲揭示新冠肺炎發病機制和免疫學特徵發出中國的聲音。經過四個半月的日夜奮戰，聯盟共獲得196個新冠病人（包括正常對照）的284個樣本（包括痰液、肺泡灌洗液、胸水、外周血等）超過25T近150萬個細胞的單細胞轉錄組測序數據，並迅速完成了數據整合與分析，揭示了新冠病毒感染機制和在不同疾病發病階段機體免疫反應特點。該研究成果於2020年9月以“COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas”爲題投稿至Cell雜誌，2021年2月3日在線發表。

本項研究發現，除了傳統認爲的呼吸系統上皮細胞以外，多種免疫細胞中被檢測到新冠病毒核酸序列，包括中性粒細胞、巨噬細胞、漿細胞、T細胞和自然殺傷細胞之中，其表達特徵也呈現出了亞基因組轉錄特點，提示新冠病毒在這些免疫細胞中曾經發生過活躍的轉錄與複製，亦即不能排除新冠病毒宿主細胞範圍不僅包括上皮細胞還包括免疫細胞的可能。這可能是新冠病毒區別於SARS的重要特點，也可能是新冠病毒具有較強傳染力的原因。這一發現與新冠病毒核酸陽性細胞具有較強的干擾素反應一致，並且通過對新冠病毒S蛋白進行組織切片染色得到了證實。有趣的是，新冠受體蛋白ACE2在免疫細胞中幾乎不表達，提示新冠病毒可能存在潛在的新受體來感染宿主細胞。

進一步生物信息學分析發現，不同的上皮細胞在新冠病毒感染後會引發不同的反應。病毒核酸陽性和陰性的纖毛上皮細胞、分泌型上皮細胞以及鱗狀上皮細胞分別具有不同的差異基因表達。新冠病毒陽性的纖毛上皮細胞更傾向於從組織上脫落下來不引起免疫反應；而新冠病毒陽性的鱗狀上皮細胞會傾向於增強其與中性粒細胞、巨噬細胞的相互作用，推測是利用ANXA1-FPR1、S100A8/9-TLR4配體-受體分子，觸發與啓動機體的免疫反應。新冠病毒陽性的鱗狀上皮細胞會上調ANXA1、S100A8、S100A9，和在中性粒細胞、巨噬細胞上高表達的FPR1、TLR4發生相互作用，從而觸發機體的天然免疫反應。值得注意的是,ANXA1、S100A8/9會在發病期重症病人的外周血中的免疫細胞中普遍上調錶達，提示重症病人可能發生了由ANXA1-FPR1、S100A8/9-TLR4介導的全身的系統免疫反應風暴。

本研究也爲解析新冠肺炎嚴重程度、病程階段、年齡、性別以及其他技術因素對機體外周血中免疫細胞組成的影響奠定了基礎。方差分析顯示，新冠肺炎的重症病人外周血中會有更高比例的增殖中的漿細胞與T細胞，而總體T細胞水平顯著低於輕症病人或健康對照以及康復期病人。這些升高的增殖的漿細胞與T細胞與疾病嚴重程度存在顯著的統計相關性；而B細胞整體更傾向於與發病階段相關，即在康復期有較高的B細胞水平。流行病學研究揭示了年齡和性別和新冠患者病症有關。本研究發現，年齡主要和中性粒細胞、幼稚CD8+ T細胞相關，性別差異主要體現在t效應細胞。年齡與性別不僅會影響外周血不同免疫細胞亞羣的水平高低，而且會影響B細胞或者T細胞受體譜的多樣性。年齡大的患者的B細胞或T細胞譜的多樣性較低，男性的較低，可能與機體的整體免疫力相關。

雖然細胞因子風暴在新冠肺炎的致病機制中存在一定的爭議，但本研究爲揭示細胞因子的潛在細胞源頭提供了詳實的證據。其中，巨核細胞以及單核細胞的部分亞羣會高表達各類細胞因子，並在重症病人中具有更高的表達水平，是潛在的細胞因子風暴的來源。基於血漿的細胞因子檢測實驗證實了這些細胞在細胞因子風暴中的潛在作用。由於部分細胞因子是分泌性的，這些細胞因子也構成了外周血與肺部感染病竈相互作用的橋樑，形成了複雜的機體細胞因子相互作用網絡。

面對新冠疫情的重大考驗，中國科學家自發組織的單細胞測序聯盟在短期內建立的新冠肺炎大隊列和單細胞大數據，爲揭示新冠肺炎發病機制和免疫特徵提供了新認識和新線索，對於進一步更加有效地防控和治療新冠肺炎具有重要意義。

中國新冠肺炎單細胞研究聯盟的成員單位包括：北京大學、海軍軍醫大學、廣州生物島實驗室、深圳灣實驗室、首都醫科大學附屬佑安醫院、中國科學技術大學、深圳第三人民醫院、哈爾濱工業大學、中國科學院生物物理研究所、中山大學、中國醫學科學院血液病醫院（血液學研究所）、陸軍軍醫大學、北京師範大學、百奧智匯生物科技有限公司、廣州醫科大學附屬廣州第八人民醫院、廣州醫科大學第一附屬醫院、中國科學院廣州生物醫藥健康研究院、上海市公共衛生臨牀中心、武漢大學人民醫院、華中科技大學、上海交通大學醫學院上海市免疫學研究所、中國人民解放軍總醫院第五醫學中心、黃崗中醫院、汕頭大學醫學院附屬粵北人民醫院、首都醫科大學附屬世紀壇醫院、復旦大學等單位。10X Genomics和百奧智匯公司爲本次研究提供了大力支持。

本文的第一作者是：任仙文、文文、範小英、侯文洪、粟斌、蔡鵬飛、李傑聖、劉陽、唐非、張帆、楊雨、何江平、馬文姬、何晶晶、王平平等；通訊作者是：周鵬輝、蔣慶華、黃志偉、貝錦新、魏來、卞修武、劉新東、程濤、李祥攀、趙平森、王福生、王紅陽、蘇冰、張政、瞿昆、王曉羣、陳捷凱、金榮華、張澤民（Lead Contact）。

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

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