新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）暴發(fā)以來(lái)，全球感染人數(shù)已超過(guò)一億人，死亡病例已超過(guò)兩百萬(wàn)人，給全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了極大災(zāi)難。認(rèn)識(shí)和理解新冠肺炎發(fā)病機(jī)理對(duì)其診療與防控具有重要意義。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在生命科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用催生了許多重要的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)，然而，該技術(shù)在新冠肺炎研究中的應(yīng)用因其成本高、樣本量小，存在統(tǒng)計(jì)效力不足、結(jié)論可靠性疑問(wèn)等問(wèn)題。

為在快速解決這一難題，我國(guó)十多個(gè)省市四十多家醫(yī)院大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在2020年5月自發(fā)組建了“新冠肺炎單細(xì)胞研究中國(guó)聯(lián)盟(Single Cell Consortium for COVID-19 in China (SC4))”，旨在協(xié)同建立新冠肺炎單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組大隊(duì)列大數(shù)據(jù)，為揭示新冠肺炎發(fā)病機(jī)制和免疫學(xué)特征發(fā)出中國(guó)的聲音。經(jīng)過(guò)四個(gè)半月的日夜奮戰(zhàn)，聯(lián)盟共獲得196個(gè)新冠病人（包括正常對(duì)照）的284個(gè)樣本（包括痰液、肺泡灌洗液、胸水、外周血等）超過(guò)25T近150萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)，并迅速完成了數(shù)據(jù)整合與分析，揭示了新冠病毒感染機(jī)制和在不同疾病發(fā)病階段機(jī)體免疫反應(yīng)特點(diǎn)。研究成果于2020年9月投稿至國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Cell雜志，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的國(guó)際評(píng)審后于2021年2月3日在線發(fā)表。

本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，除了傳統(tǒng)認(rèn)為的呼吸系統(tǒng)上皮細(xì)胞以外，多種免疫細(xì)胞中被檢測(cè)到新冠病毒核酸序列，包括中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、漿細(xì)胞、T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞之中，其表達(dá)特征也呈現(xiàn)出了亞基因組轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)，提示新冠病毒在這些免疫細(xì)胞中曾經(jīng)發(fā)生過(guò)活躍的轉(zhuǎn)錄與復(fù)制，亦即不能排除新冠病毒宿主細(xì)胞范圍不僅包括上皮細(xì)胞還包括免疫細(xì)胞的可能。這可能是新冠病毒區(qū)別于SARS的重要特點(diǎn)，也可能是新冠病毒具有較強(qiáng)傳染力的原因。這一發(fā)現(xiàn)與新冠病毒核酸陽(yáng)性細(xì)胞具有較強(qiáng)的干擾素反應(yīng)一致，并且通過(guò)對(duì)新冠病毒S蛋白進(jìn)行組織切片染色得到了證實(shí)。有趣的是，新冠受體蛋白ACE2在免疫細(xì)胞中幾乎不表達(dá)，提示新冠病毒可能存在潛在的新受體來(lái)感染宿主細(xì)胞。

進(jìn)一步生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，不同的上皮細(xì)胞在新冠病毒感染后會(huì)引發(fā)不同的反應(yīng)。病毒核酸陽(yáng)性和陰性的纖毛上皮細(xì)胞、分泌型上皮細(xì)胞以及鱗狀上皮細(xì)胞分別具有不同的差異基因表達(dá)。新冠病毒陽(yáng)性的纖毛上皮細(xì)胞更傾向于從組織上脫落下來(lái)不引起免疫反應(yīng)；而新冠病毒陽(yáng)性的鱗狀上皮細(xì)胞會(huì)傾向于增強(qiáng)其與中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞的相互作用，推測(cè)是利用ANXA1-FPR1、S100A8/9-TLR4配體-受體分子，觸發(fā)與啟動(dòng)機(jī)體的免疫反應(yīng)。新冠病毒陽(yáng)性的鱗狀上皮細(xì)胞會(huì)上調(diào)ANXA1、S100A8、S100A9，和在中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞上高表達(dá)的FPR1、TLR4發(fā)生相互作用，從而觸發(fā)機(jī)體的天然免疫反應(yīng)。值得注意的是，ANXA1、S100A8/9會(huì)在發(fā)病期重癥病人的外周血中的免疫細(xì)胞中普遍上調(diào)表達(dá)，提示重癥病人可能發(fā)生了由ANXA1-FPR1、S100A8/9-TLR4介導(dǎo)的全身的系統(tǒng)免疫反應(yīng)風(fēng)暴。

本研究也為解析新冠肺炎嚴(yán)重程度、病程階段、年齡、性別以及其他技術(shù)因素對(duì)機(jī)體外周血中免疫細(xì)胞組成的影響奠定了基礎(chǔ)。方差分析顯示，新冠肺炎的重癥病人外周血中會(huì)有更高比例的增殖中的漿細(xì)胞與T細(xì)胞，而總體T細(xì)胞水平顯著低于輕癥病人或健康對(duì)照以及康復(fù)期病人。這些升高的增殖的漿細(xì)胞與T細(xì)胞與疾病嚴(yán)重程度存在顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性；而B細(xì)胞整體更傾向于與發(fā)病階段相關(guān)，即在康復(fù)期有較高的B細(xì)胞水平。流行病學(xué)研究揭示了年齡和性別和新冠患者病癥有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，年齡主要和中性粒細(xì)胞、幼稚CD8+?T細(xì)胞相關(guān)，性別差異主要體現(xiàn)在效應(yīng)T細(xì)胞。年齡與性別不僅會(huì)影響外周血不同免疫細(xì)胞亞群的水平高低，而且會(huì)影響B(tài)細(xì)胞或者T細(xì)胞受體譜的多樣性。年齡大的患者的B細(xì)胞或T細(xì)胞譜的多樣性較低，男性的較低，可能與機(jī)體的整體免疫力相關(guān)。

雖然細(xì)胞因子風(fēng)暴在新冠肺炎的致病機(jī)制中存在一定的爭(zhēng)議，但本研究為揭示細(xì)胞因子的潛在細(xì)胞源頭提供了詳實(shí)的證據(jù)。其中，巨核細(xì)胞以及單核細(xì)胞的部分亞群會(huì)高表達(dá)各類細(xì)胞因子，并在重癥病人中具有更高的表達(dá)水平，是潛在的細(xì)胞因子風(fēng)暴的來(lái)源。基于血漿的細(xì)胞因子檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些細(xì)胞在細(xì)胞因子風(fēng)暴中的潛在作用。由于部分細(xì)胞因子是分泌型的，這些細(xì)胞因子也構(gòu)成了外周血與肺部感染病灶相互作用的橋梁，形成了復(fù)雜的機(jī)體細(xì)胞因子相互作用網(wǎng)絡(luò)。

面對(duì)新冠疫情的重大考驗(yàn)，中國(guó)科學(xué)家自發(fā)組織的單細(xì)胞測(cè)序聯(lián)盟在短期內(nèi)建立的新冠肺炎大隊(duì)列和單細(xì)胞大數(shù)據(jù)，為揭示新冠肺炎發(fā)病機(jī)制和免疫特征提供了新認(rèn)識(shí)和新線索，對(duì)于進(jìn)一步更加有效地防控和治療新冠肺炎具有重要意義。

中國(guó)新冠肺炎單細(xì)胞研究聯(lián)盟的成員單位包括：北京大學(xué)、海軍軍醫(yī)大學(xué)、廣州生物島實(shí)驗(yàn)室、深圳灣實(shí)驗(yàn)室、首都醫(yī)科大學(xué)附屬佑安醫(yī)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、深圳第三人民醫(yī)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、中山大學(xué)、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院（血液學(xué)研究所）、陸軍軍醫(yī)大學(xué)、北京師范大學(xué)、百奧智匯生物科技有限公司、廣州醫(yī)科大學(xué)附屬?gòu)V州第八人民醫(yī)院、廣州醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院、中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥健康研究院、上海市公共衛(wèi)生臨床中心、武漢大學(xué)人民醫(yī)院、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院上海市免疫學(xué)研究所、中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心、黃崗中醫(yī)院、汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬粵北人民醫(yī)院、首都醫(yī)科大學(xué)附屬世紀(jì)壇醫(yī)院、復(fù)旦大學(xué)等單位。10X Genomics和百奧智匯公司為本次研究提供了大力支持。本文的第一作者是：任仙文，文文，范小英，侯文洪，粟斌，蔡鵬飛，李杰圣，劉陽(yáng)，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(lái)，卞修武，劉新東，程濤，李祥攀，趙平森，王福生，王紅陽(yáng)，蘇冰，張政，瞿昆，王曉群，陳捷凱，金榮華，張澤民。

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

轉(zhuǎn)載：北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心