多组学分析解析 COVID-19 中肺泡损伤的细胞驱动因素

为探究 COVID-19 肺泡损伤机制，英国威康桑格研究所等多个机构的研究人员整合多组学数据，揭示细胞变化及关键信号通路，意义重大。

　　

COVID-19 作为呼吸道疾病，严重程度因人而异，重症患者会出现全身炎症反应和细胞因子风暴，导致多器官损伤，其中内皮损伤和凝血功能障碍在重症疾病中起着关键作用。而肺部弥漫性肺泡损伤（DAD）是 COVID-19 患者肺部损伤的主要组织学模式，分为早期渗出性（EDAD）和晚期机化性（ODAD），中间状态则表现为混合病理特征（MDAD）。

尽管目前已知 ODAD 中免疫细胞和成纤维细胞增多，但肺泡损伤进展过程中的细胞和分子差异仍不明确。之前的研究虽有应用多种技术研究 COVID-19 患者的肺部样本，但都未能全面阐述肺泡损伤的细胞和分子变化，组织重塑的驱动因素也未完全明晰。因此，深入了解 COVID-19 中肺泡损伤的细胞和分子机制，对开发新疗法至关重要。

为了攻克这些难题，来自英国威康桑格研究所、帝国理工学院等多个研究机构的研究人员开展了一项综合性研究。他们绘制出一份空间解析的 COVID-19 肺泡损伤进展图谱，突出了重症疾病中促炎和促纤维化的细胞机制。

这项研究成果发表在《Nature Communications》杂志上，为我们理解 COVID-19 肺部病理提供了重要依据。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过整合新生成的单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）数据和 10 个公开的单细胞 / 单细胞核 RNA 测序数据集，构建了一个大型图谱。同时，对 33 例患者尸检肺组织样本进行空间转录组学（ST）分析，严格按照组织学标准定义 DAD 阶段并进行转录组分析。此外，还运用了免疫荧光染色、单细胞荧光原位杂交（smFISH）等技术进行验证。

健康和病变肺部的单细胞转录组图谱

在整合多个数据集后，研究人员得到包含 514,756 个细胞/细胞核的图谱，鉴定出 12 种粗粒度细胞状态。进一步的聚类分析鉴定出 33 种不同细胞状态。他们发现，健康和 COVID-19 肺部细胞状态存在广泛的基因表达差异，如上皮细胞（EP）的 AT1 和 AT2 细胞状态中与干扰素反应相关的基因失调，内皮细胞（EC）状态中凝血级联反应表现出失调。

肺泡损伤进展的转录组空间图谱

对多中心患者队列的尸检肺组织样本进行 ST 分析，他们获得 326 个组织区域的转录组数据。通过随机森林分类器确定了不同 DAD 阶段的预测生物标志物，EDAD 中与炎症反应、纤维蛋白溶解调节和金属硫蛋白相关的基因上调，而ODAD 中与纤维化和 TGF-β 通路相关的基因上调。差异基因表达分析进一步揭示了 EDAD 和 ODAD 的分子特征，比如 EDAD 中炎症相关基因上调，ODAD 中细胞外基质（ECM）周转和纤维化相关基因上调。

COVID-19 中凝血级联反应的失调

研究发现 COVID-19 患者的 sc/snRNA-seq 数据中，参与纤维蛋白溶解途径的多个基因表达异常，如编码纤维蛋白溶解抑制剂 PAI-1 的 SERPINE1 在动脉、毛细血管和肺静脉 EC 中上调，而编码纤维蛋白溶解因子 tPA 的 PLAT 下调。通过 smFISH 验证了 SERPINE1 的上调，表明其可能在 COVID-19 肺内皮的纤维蛋白溶解关闭和微血栓形成中起关键作用。

肺泡损伤阶段的不同细胞组成

通过计算反卷积细胞状态，研究人员发现 COVID-19 组织中免疫细胞亚型增加，上皮细胞亚型减少。在 DAD 进展过程中，不同细胞类型的丰度发生变化，如参与正常肺泡功能的成纤维细胞亚型在 EDAD 中富集，而与纤维化相关的成纤维细胞亚型在 ODAD 中更丰富，同时还观察到不同巨噬细胞亚型在肺泡损伤进展中的积累变化。

肺泡损伤进展中的细胞微环境和细胞间信号传导

结合 sc/snRNA-seq 分析和 WTA 数据中空间共定位细胞类型及差异表达配体 - 受体对的鉴定，他们发现 COVID-19 中促炎（SPP1）和促纤维化（COLLAGEN、TGFβ）通路富集。通过非负矩阵分解（NMF）确定了 DAD 不同阶段的病理细胞微环境，发现巨噬细胞来源的 SPP1/OPN 信号在肺泡损伤早期通过上调 SERPINE1/PAI-1，在促炎和抗纤维蛋白溶解途径中起作用。

研究人员认为，这项研究是目前对重症 COVID-19 患者肺部病理最全面的单细胞和空间转录组学研究。通过多组学方法等方法，揭示了 COVID-19 肺部不同病理微环境中复杂的基因表达变化，这些变化与凝血、炎症和纤维化相关，确定了预测疾病严重程度的生物标志物和潜在治疗靶点。

研究还发现 SERPINE1/PAI-1 可能是 COVID-19 感染的关键生物标志物，也是治疗血栓的靶点。此外，研究还明确了不同巨噬细胞亚型在肺泡损伤不同阶段的变化，以及 SPP1/OPN 信号在疾病进展中的作用，为探索 COVID-19 的治疗方法提供了新方向。

未来研究可利用更广泛的 Visium 分析或高分辨率空间转录组学技术，进一步深入研究 DAD 进展的组织微环境和细胞间相互作用。总体而言，这项研究为深入了解 COVID-19 肺部病理提供了重要资源，为探索新的治疗靶点奠定了基础。