宋言峥、黄家颖团队通过单细胞 RNA 测序揭示首个结核感染人肺细胞图谱

在 2023 年 9 月 8 日发表的一篇开创性研究文章中，由上海市公共卫生临床中心的宋言峥主任和黄家颖研究员与复旦大学张江研究院的李美仪博士，联合深圳大学医学院、中国医学科学院等单位在top期刊《Journal of Infection》（IF：28.2）上公布了首份结核感染人类肺部细胞图谱。 该项名为“单细胞 RNA 测序揭示人类结核病肺组织的异质性和细胞间串扰”的研究为结核病患者肺内细胞相互作用的复杂景观提供了全面阐述。

https://doi.org/10.1016/j.jinf.2023.09.004

研究背景

 01 

在过度炎症的情况下免疫抑制性免疫细胞的存在提出了复杂的挑战，对整体健康产生深远的影响。 在调节性 T 细胞 (Treg) 和骨髓细胞等免疫抑制细胞大量存在的情况下，它们可以作为防止免疫过度激活和组织损伤的关键调节机制。 然而，当这些细胞失调或过度活跃时，它们可能会导致免疫抑制状态，从而阻碍身体控制感染（包括结核病）的能力。 过度炎症加上过多的免疫抑制细胞会导致免疫反应受损、病原体清除延迟以及对各种疾病的易感性增加。过度炎症和免疫抑制细胞之间的相互作用经常出现在慢性炎症、自身免疫性疾病和癌症中，其中促炎和抗炎反应之间的微妙平衡被破坏。 

结核病（TB）是一种由结核分枝杆菌引起的细菌感染，仍然是一个全球健康问题。 了解结核病患者肺部的细胞动态和异质性对于制定有效的治疗策略至关重要，特别是能为目前方兴未艾的疾病细胞治疗奠定基础。在结核病中，发炎的肺组织内存在免疫抑制细胞可能会加剧感染的慢性化，因为它们可以下调免疫系统控制结核分枝杆菌的作用。 了解和管理炎症和免疫抑制之间的这种微妙平衡对于开发有效的疗法至关重要，这些疗法可以恢复平衡的免疫反应，同时最大限度地减少附带组织损伤。 它强调了考虑免疫抑制细胞在健康和疾病中的特定作用的定制干预措施的重要性。

研究过程

 02 

该项研究提供了有关感染者肺部细胞组成和细胞间通讯的详细信息，是结核病研究的一个重要里程碑。虽然早期的研究经常根据与结核病相关的特定病理变化或肉芽肿形成对组织进行分类，但这项研究集中在这些病变内发生的动态免疫反应。 通过利用单细胞 RNA 测序，研究人员能够剖析不同炎症状态下的不同细胞组成和基因表达谱，揭示结核感染期间复杂的免疫相互作用。 这种创新方法可以更深入地了解宿主的免疫防御机制，揭示结核病病理学背景下以前未知的领域，并提供有价值的见解，可能对基础研究和靶向治疗干预措施的开发产生深远的影响。

这项开创性的研究与之前的研究有很大不同，该项研究独特地专注于根据炎症状态检查肺组织，这标志着了解结核病病理学方法的关键转变。 为了评估炎症，研究人员采用正电子发射断层扫描-计算机断层扫描 (PET-CT) 和 18F 标记的氟脱氧葡萄糖 (18F-FDG)。 这种成像技术使他们不仅能够精确测量和定位葡萄糖摄取增加的炎症区域，而且确保选择具有不同程度 18F-FDG 亲和力的肺组织用于后续的单细胞 RNA 测序分析。 这种新颖的策略使得能够全面探索与结核感染肺部炎症状态相关的细胞和分子景观，为该疾病的发病机制提供了新的研究思路。

在这项开创性的研究中，研究人员公布了人类结核感染肺部的综合细胞图谱，对这些重要器官内复杂的免疫景观进行了详细的阐述。 通过单细胞 RNA 测序，该研究总共鉴定了 29 个不同的细胞亚群，每个亚群都有特定的标记基因，包括丰富的免疫和非免疫细胞类型。

图 1. 人类肺结核细胞图谱。

这些亚群中有髓系细胞群，包括三种类型的肺泡巨噬细胞（AMΦ、INHBA-AMΦ 和 PSAP-AMΦ），其特征在于表达 FABP4、C1QB、MARCO 和 TREM1，以及单核细胞来源的巨噬细胞，这些巨噬细胞可以 根据CD163（CD163-MΦ）、LGMN（LGMN-MΦ）和AREG（AREG-MΦ）的高表达分为三种类型。 其他单核细胞亚群包括经典单核细胞 (CD14-Mono) 和非经典单核细胞 (FCGR3A-Mono)。 还鉴定了三种不同的树突细胞亚群：常规 DC (cDC)、浆细胞样 DC (pDC) 和表达 LAMP3 的 DC (LAMP3-DC)。

淋巴细胞类型突出，包括两种类型的 CD4+ T 细胞，关键标记基因包括 CXCR6、YWHAQ、BATF、CCL4、IL7R、GZMA、CCL5、CXCR4、RORA、CD69 和 IL2RA、FOXP3、TIGIT、IL32、BATF、 CTLA4、LTB 和 TNFRSF1B 用于调节性 T 细胞 (Treg)。 鉴定出表达细胞因子基因（CCL4L2、CCL5、CCL4）和耗竭基因（TIGIT、CTLA4）的 GZMKhigh CD8 T 细胞（CD8）。 自然杀伤 (NK) 细胞分为 NK 细胞和 XCL1-hi NK 细胞，两者都表达特定的标记基因。

此外，该研究还强调了 MS4A1 和 CD79A 标记的 B 细胞，以及表达 IGHG1、MZB1、DERL3 和 SSR4 的浆细胞。 由类胰蛋白酶 TPSAB1 和 TPSB2 标记的肥大细胞富含参与前列腺素 D2（HPGDS 和 PTGS2）和白三烯 C4（LTC4S）合成的基因，这两种基因都与过敏性疾病有关。

这些细胞类型的详细特征及其相关的标记基因提供了结核病感染肺内不同免疫和非免疫群体的全面视图。 这些视图为理解结核感染期间这些细胞之间复杂的相互作用提供了关键信息，并可能更容易识别潜在的新治疗靶点。

研究发现

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该研究使用单细胞 RNA 测序来分析具有不同炎症水平的结核病患者的肺组织，如 18F 标记的氟脱氧葡萄糖 (FDG) 亲合力所示。 这种方法使研究人员能够研究这些组织中的转录组异质性。

· 结果显示，结核感染的肺部表现出多种免疫细胞，包括调节性 T 细胞 (Treg)、耗竭的 CD8 T 细胞、免疫抑制性骨髓细胞、传统树突状细胞 (DC)、浆细胞样 DC 和中性粒细胞。

· 发炎肺部的免疫细胞表现出与 ATP 合成和干扰素介导的信号传导相关的基因上调，表明对感染的积极免疫反应。

· 值得注意的是，免疫抑制性骨髓细胞和 Treg 细胞被发现表达与结核病进展相关的基因，突显了它们在塑造疾病进程中的潜在作用。

· 该研究还发现表达 IL4I1 的骨髓细胞和 Treg 细胞之间存在广泛的串扰，涉及各种趋化因子、共刺激分子和免疫检查点，其中一些是具有高 FDG 亲和力的肺部特有的。

研究结论

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综上所述，这项研究的结果揭示了结核感染肺部内复杂的细胞相互作用，有助于更好地了解疾病的进展和治疗干预的潜在目标。 通过表征结核感染肺组织的转录组异质性，研究人员希望发现限制疾病进展和改善治疗结果的新策略。

上海市公共卫生临床中心胸外科王琳医师，上海市公共卫生临床中心科学研究部马辉、温子禄为本文的共同第一作者。上海市公共卫生临床中心胸外科宋言峥主任医师、上海市公共卫生临床中心科学研究部黄家颖研究员及复旦大学张江研究院李美仪博士为本文的共同通讯。

宋言峥主任长期致力于结核病的外科诊断和治疗研究，主要研究方向为分子结核外科学，在结核病的宿主免疫及致病机制方面积累了较为丰富的经验。累计完成各类结核病手术7000余例，率先提出结核病LTB-S手术分类法，主编《实用结核外科学》，主写“中国耐多药和利福平耐药肺结核外科治疗专家共识”。主持“十二五”、“十三五”国家重大传染病专项及科技部重点研发课题等3项，国内外发表文章101篇，专利30项，转化3项。

黄家颖研究员长期致力于结核病的发病机制研究，主持国家自然科学基金面上项目2项，被引用100余次论文7篇。

该工作得到国家重点研发计划项目（2022YFA1303500）、国家自然科学基金委（81770010）、 国家科技重大专项（2017ZX10201301-003-002）、国家科技部重大项目“发病机制及防疫技术体系研究”（2021YFC2302500）的支持。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.jinf.2023.09.004

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。