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Cell | 哪来岁月静好,不过免疫负重前行!血液与单细胞多组学解析新冠患者进程中急剧变化

2022-05-09
中科新生命
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随着新型冠状病毒(SARS-CoV-2)爆发,已对全世界的健康与经济等造成了严重影响。许多对于COVID-19感染的重症新冠患者的研究发现,往往会伴随造血功能失调、免疫细胞紊乱等。然而在轻度和中度感染时,患者体内指标如何变化却不清楚。

来自美国西雅图系统生物学研究所、西雅图Swedish医疗中心等联合在Cell上发表“Multi-Omics Resolves a Sharp Disease-State Shift between Mild and Moderate COVID-19”,对139名不同严重程度的新冠患者外周血样本,将临床特征记录结合血液多组学(Olink蛋白组、代谢组)与PBMC单细胞多组学数据(单细胞转录组、单细胞T/B受体蛋白、表面蛋白、分泌蛋白分析),揭示了新冠感染患者在轻度向中度过渡中,免疫细胞表型变化、炎症信号升高、代谢进程丢失等各项指标急剧变化,为干预有效时机提供参考

研究材料

采取不同严重程度新冠患者(健康、轻、中、重)的不同时间点外周血,并将血浆与PBMC分别进行不同组学分析


技术路线

· 步骤1:实验设计与组学分析;
· 步骤2:血液蛋白组与代谢组呈现随新冠患者感染严重程度变化特征;
· 步骤3:新冠患者感染严重程度与免疫细胞亚群变化特征相关;
· 步骤4:新冠患者感染过程中伴随来自多组学变化的免疫应答反应。


研究结果

1. 实验设计与组学分析

对139名不同程度COVID-19患者,根据感染严重程度分为0:健康人群;1-2:轻度;3、4:中度;5,6,7:重度;0-7:WHO疾病评分;EHR:电子病历。随后采集每个病人2次纵向时间点,共计265管血样并进行血浆与PBMC细胞分离。对血浆样本,进行了Olink蛋白质组(炎症panel细胞因子、免疫代谢panel等中目标蛋白)与非靶代谢组分析,血浆组学分析每次定量约500个蛋白,1000种代谢物。对PBMC样本进行了单细胞多组学分析,包括单细胞全转录组、T/B细胞受体、192种表面蛋白、32种分泌蛋白。



2. 血液蛋白组与代谢组呈现随新冠患者感染严重程度变化特征

对于血浆而言,蛋白组特征分析发现,健康到新冠轻症过渡中,差异变化的蛋白数量最多(达307个),但从中症向重症过渡中差异蛋白数量最少(仅5个),并发现其中一个蛋白肌纤维组织的角蛋白(KRT19)随着感染严重上升而显著升高。在代谢特征方面,从轻症到中症转变阶段、从中症到重症转变阶段中,均表现脂质显著下调。此外,对于PBMC分析循环免疫细胞情况发现,淋巴细胞(CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、自然杀伤细胞)比例随感染严重程度增加而下降,而单核细胞比例感染严重程度增加而升高。综上,描绘了新冠感染程度与多组学数据变化特征的相关性图谱。



3. 新冠患者感染严重程度与关键免疫细胞亚群变化相关

进一步从单细胞数据中挖掘了多群关键细胞亚群变化特征。其中,CD8+T细胞与疾病严重程度呈现非单调变化,并呈现出异质性(包括初始T细胞、记忆T细胞、效应T细胞、衰竭样T细胞、增殖型T细胞);此外CD4+T细胞中也发现两种类群的CD4+T细胞亚群与新冠严重程度有关,且两种类群在功能特征上呈现明显差异。

此外,其他细胞亚群同样呈现出与新冠感染程度的相关性。比如,单核细胞中亚群S100highHLA-DRlow功能紊乱反映了血浆中蛋白代谢物变化的协同趋势,且与新冠感染严重程度相关。而NK细胞中亚群增值也与新冠感染严重程度相关。综上结果,揭示了新冠患者情况与不同免疫细胞变化的关系。




4. 新冠患者感染过程中伴随来自多维度变化的免疫应答反应

成功控制新冠感染需要免疫系统协调作用,为了探究免疫系统如何协调细胞类型转变和多维度物质改变,采用Surprisal Analysis整合单细胞组学数据bulk组学数据,挖掘功能基因调控模块,并分析模块在不同细胞类型之间共同变化或与临床特征和血浆组成变化相关的生物过程。结果找到了一个关键M2,其能够清楚区分轻度和中度新冠感染的生理波动,与免疫细胞协调、促炎信号、代谢丢失等重要新冠感染生物过程相关性高。综上,通过对多维度免疫特征浓缩,描绘了新冠患者感染中协调变化的免疫应答反应。



小编小结

通过对139名不同疾病严重程度的COVID-19新冠患者的临床测量数据、结合血浆与单细胞多组学,发现了轻度和中度患者间炎症信号、代谢物,以及免疫细胞变化等重大转变。通过将12万个免疫特征浓缩成免疫应答轴,描绘了血浆组成变化、凝血的临床指标以及轻中度疾病之间的急剧转变一致变化,这项研究表明,新冠感染的中度阶段可能是治疗干预最有效的时机



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