? ? ? ?新型冠狀病毒肺炎（Corona Virus Disease 2019晋控，COVID-19）汞窗，簡(jiǎn)稱“新冠肺炎”，已在全世界范圍造成巨大的危害赡译，導(dǎo)致數(shù)百萬人失去生命仲吏，對(duì)人們的工作和生活造成巨大的影響。其特點(diǎn)是缺氧蝌焚，迅速惡化裹唆，并伴有發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征、多器官衰竭甚至死亡的風(fēng)險(xiǎn)只洒。由于未能完全了解發(fā)病機(jī)制和患者間異質(zhì)性许帐，限制了以biomarker為導(dǎo)向的靶向精確醫(yī)學(xué)方法研究。本文中毕谴，研究者利用多組學(xué)研究思路成畦，解析新冠肺炎患者血液特征，構(gòu)建了多組學(xué)分子圖譜涝开，并與膿毒癥和流感患者進(jìn)行比較羡鸥，為個(gè)性化藥物治療方法的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
文章題目：A blood atlas of COVID-19 defines hallmarks of diseaseseverity and specificity
中文題目：新冠肺炎的血液圖譜定義了疾病嚴(yán)重程度和特異性的特征
發(fā)表時(shí)間：2022.03
期刊名稱：Cell
影響因子：41.582
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：10x Genomics?單細(xì)胞測(cè)序多組學(xué)+Tims-TOF 4D蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)等技術(shù)
DOI：10.1016/j.cell.2022.01.012
研究?jī)?nèi)容：
·? 新冠肺炎的臨床特征忠寻、嚴(yán)重程度和疾病分級(jí)
? ? ? ?研究者首先使用質(zhì)譜流式和CITE-seq技術(shù)惧浴，以單細(xì)胞分辨率在轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組水平上解析PBMC的類型、亞型和類群（圖1A-C）奕剃。結(jié)果表明衷旅，在更嚴(yán)重或危重的病例中中性粒細(xì)胞的絕對(duì)和相對(duì)豐度增加，而T纵朋、B淋巴細(xì)胞柿顶、髓樣細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞（DC）操软、嗜堿性粒細(xì)胞和NK細(xì)胞減少（圖1D）嘁锯。在社區(qū)型和康復(fù)的新冠患者中，細(xì)胞組成與健康志愿者大致相似聂薪，豐度上存在一些差異家乘。中性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞藏澳、漿母細(xì)胞和PDC的頻率是影響患者組間細(xì)胞組成的重要因素仁锯。單獨(dú)分析住院的新冠肺炎病例時(shí)，最大的變異成分（PC1）與組成員翔悠、氧合狀態(tài)和淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)有關(guān)（圖1F）业崖，更高豐度的血小板/CD34-巨核系祖細(xì)胞和循環(huán)cMono與氧合狀態(tài)野芒、嚴(yán)重程度和CRP有關(guān)。血小板/CD34-巨核系祖細(xì)胞豐度也與血栓栓塞的發(fā)生有關(guān)（圖1H）双炕，強(qiáng)調(diào)了它們?cè)趪?yán)重新冠肺炎中潛在的病理生理學(xué)意義狞悲。
·? 新冠肺炎全血特征和嚴(yán)重程度涉及中性粒細(xì)胞、祖細(xì)胞妇斤、淋巴細(xì)胞耗竭摇锋、凝血、免疫球蛋白和干擾素反應(yīng)
? ? ? ?接下來趟济，研究者使用全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序?qū)θM(jìn)行解析乱投，以獲得宿主對(duì)新冠肺炎反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組特征咽笼，并發(fā)現(xiàn)在不同組間的樣品存在明顯的分離（圖2A）顷编。在住院的新冠患者中，最大的方差分量與28天死亡率相關(guān)（PC1）（圖2B）剑刑，與這個(gè)成分有關(guān)的基因富集于免疫系統(tǒng)功能（尤其是中性粒細(xì)胞脫粒）媳纬、PD-1信號(hào)、抗菌肽和凝血級(jí)聯(lián)施掏。而在不同嚴(yán)重程度患者中差異表達(dá)的基因主要富集在TCR和PD-1信號(hào)钮惠、抗菌肽、顯微蛋白凝塊形成七芭、整合素和免疫調(diào)節(jié)相互作用以及血小板和中性粒細(xì)胞脫粒（圖2C和2D）素挽。與膿毒癥相比，新冠肺炎的特點(diǎn)包括許多免疫球蛋白heavy/kappa/lambda基因的上調(diào)和與細(xì)胞增殖狸驳、先天/獲得性免疫功能相關(guān)的獨(dú)特通路富集预明。隨后，研究者使用WGCNA分析確定了與新冠肺炎嚴(yán)重程度高度相關(guān)的基因模塊耙箍。MEGrey60模塊在危重癥新冠肺炎中的表達(dá)高于膿毒癥撰糠，并且ERG基因顯示出最高的模塊內(nèi)連接（connectivity）（圖2F）。這些結(jié)果說明這個(gè)模塊代表了與嚴(yán)重程度相關(guān)的多種祖細(xì)胞辩昆，進(jìn)一步支持了這些細(xì)胞的重要性阅酪。全血中存在不成熟中性粒細(xì)胞和中性粒細(xì)胞前體細(xì)胞，在新冠患者中汁针，中性粒細(xì)胞CD49d的表達(dá)上升术辐，CD43降低，但在膿毒癥患者中基本沒有變化施无，CD49d/CD43比值在恢復(fù)期保持較高水平（圖2G）术吗。
·??新冠肺炎共享和細(xì)胞類型特異性的單細(xì)胞基因表達(dá)特征涉及ZFN、核糖體和細(xì)胞周期基因帆精、AP-1和干擾素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)
? ? ? ?在住院和社區(qū)型新冠患者中较屿，研究者發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)的差異主要涉及cMono隧魄、幼稚B細(xì)胞、漿母細(xì)胞隘蝎、CD4+T細(xì)胞和循環(huán)NK細(xì)胞（圖2H）购啄。再次使用WGCNA確定主要細(xì)胞亞群的網(wǎng)絡(luò)模塊，在細(xì)胞群中發(fā)現(xiàn)了一組?I?型?IFN?反應(yīng)模塊嘱么，其中具有代表性的基因表達(dá)譜（模塊特征基因）與較輕的疾病狮含、更好的氧合狀態(tài)和從癥狀發(fā)作開始的早期采樣相關(guān)。第二個(gè)模塊基因富集于AP-1和p38MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)基因曼振，第三個(gè)模塊富含經(jīng)典?(C2H2)?鋅指?(ZNF)?基因几迄，包含?IRF2?和?IL16，第四個(gè)模塊涉及核糖體蛋白和炎癥小體功能冰评，與單核細(xì)胞COVID-19嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)映胁。最后，研究者發(fā)現(xiàn)了一組“周期”模塊甲雅，在cMono中與嚴(yán)重程度有關(guān)解孙。此外，還鑒定到了CD4+?T細(xì)胞中JAK-STAT/白細(xì)胞介素信號(hào)模塊抛人，以及?cMono?中的?EGFR?通路富集模塊（圖3A-H）弛姜。
·??單核細(xì)胞群嚴(yán)重程度的轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳學(xué)特征
? ? ? ?對(duì)特異性單核吞噬細(xì)胞群進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)病情程度較重的住院新冠患者cMono比例相對(duì)更高汁政，而中間單核細(xì)胞趴久、ncMono和DC更低。隨著疾病嚴(yán)重程度的增加塘辅，發(fā)現(xiàn)cMono的表型轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的HLA-DR绝页、CD33和CD11c的表達(dá)荠商，存在增殖性單核細(xì)胞，這與膿毒癥患者的變化類似抒寂。與重癥/危重新冠肺炎患者相比结啼，膿毒癥pDC和CD33lowcDC2水平較低（圖4A-C）。與健康志愿者相比屈芜，新冠肺炎危重病例郊愧、流感和膿毒癥患者中的周期類群和抗氧化性金屬硫蛋白基因高表達(dá)的類群顯著增加。利用單細(xì)胞ATAC seq分析染色質(zhì)的可及性井佑，發(fā)現(xiàn)可及性差異最大的染色質(zhì)峰相關(guān)基因包括STK24和FGFRL1属铁。DNA結(jié)合motifs最顯著富集于AP-1、SW1/SNF和Bach轉(zhuǎn)錄因子家族成員（圖4E）躬翁。與健康志愿者相比焦蘑，新冠肺炎患者髓樣細(xì)胞中包含F(xiàn)OS和JUN motifs的基因組區(qū)域可及性更高，這一信號(hào)在恢復(fù)期也可以看到（圖4F）盒发。
·??新冠肺炎的嚴(yán)重程度與特異的T和NK細(xì)胞群以及與細(xì)胞周期例嘱、氧化還原狀態(tài)和衰竭相關(guān)的特征相關(guān)
? ? ? ?在所有新冠肺炎患者組中狡逢，活化的CD4+和CD8+T細(xì)胞的頻率都有所增加，并在恢復(fù)期保持高水平拼卵。CD27+的活化CD4+T細(xì)胞比例高于膿毒癥患者奢浑，而CD56+細(xì)胞毒性CD8+T細(xì)胞比例降低（圖4A）。雖然在急性新冠肺炎患者中活化的CD4+T細(xì)胞中有激活腋腮、增殖和耗竭marker的表達(dá)雀彼，但隨著疾病嚴(yán)重程度的增加，CD8+T細(xì)胞中這些marker增加（圖4G）即寡。隨著新冠肺炎嚴(yán)重程度的增加徊哑，類先天淋巴細(xì)胞群發(fā)生變化，包括MAIT細(xì)胞聪富，表現(xiàn)出一種涉及細(xì)胞激活嚴(yán)重程度的變化梯度（圖4H）莺丑。
·? 重癥新冠肺炎與未突變B細(xì)胞的克隆性增殖和自身反應(yīng)性B細(xì)胞的激活有關(guān)
? ? ? ?接下來，研究者利用bulk VDJ測(cè)序來研究全血中B細(xì)胞的免疫組庫善涨。在健康志愿者中窒盐，克隆性擴(kuò)張?jiān)谟洃汢細(xì)胞群體中占主導(dǎo)地位草则。而在新冠肺炎和膿毒癥患者中钢拧，漿母細(xì)胞擴(kuò)張，嚴(yán)重和顯著危重的新冠肺炎患者也在記憶群體中存在克隆炕横。漿母細(xì)胞的克隆性擴(kuò)張具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義源内，并且與新冠肺炎嚴(yán)重程度相關(guān)，而膿毒癥則沒有顯著變化（圖5B）份殿。新冠肺炎患者幼稚B細(xì)胞和漿母細(xì)胞之間存在分化方向膜钓，與膿毒癥患者不同，并與新冠肺炎以濾泡外B細(xì)胞為主的反應(yīng)一致（圖5D）卿嘲。接下來颂斜，研究者測(cè)試了靶向自身抗原和紅細(xì)胞抗原的B細(xì)胞是否與新冠肺炎有關(guān)，發(fā)現(xiàn)自身反應(yīng)性IGHV4-34BCR在IGHD/M中顯著耗盡拾枣，但在類轉(zhuǎn)換B細(xì)胞中升高沃疮，最顯著的是IGHA2和IGHG2 B細(xì)胞（圖5E），與這些自身反應(yīng)性B細(xì)胞在對(duì)SARS-CoV-2的反應(yīng)中的類別轉(zhuǎn)換一致梅肤。在膿毒癥病例中司蔬，沒有觀察到IGHV4-34自身反應(yīng)性BCR水平或類別轉(zhuǎn)換的明顯差異。上述結(jié)果表明姨蝴，重癥新冠肺炎患者的漿母細(xì)胞擴(kuò)張包括高水平的廣泛自身反應(yīng)性B細(xì)胞俊啼，這與B細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的免疫病理的新作用相一致。
·??CD8+T細(xì)胞群體免疫組庫多樣性降低
? ? ? ?研究者分析新冠肺炎和T細(xì)胞克隆性之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)在考慮年齡的情況下左医，重癥和危重新冠肺炎患者中CD8+T?效應(yīng)記憶授帕、CD8+?T中央記憶和?MAIT?細(xì)胞多樣性降低同木，膿毒癥也有類似的變化。在住院患者中跛十，隨著疾病嚴(yán)重程度的增加泉手，含有TCR的CD8+T效應(yīng)記憶細(xì)胞的比例較低（圖5J）。危重患者的SARS-CoV-2反應(yīng)性細(xì)胞未能擴(kuò)張為效應(yīng)表型偶器，或者擴(kuò)張的細(xì)胞可能有明顯的重新分布斩萌。CD8+T效應(yīng)記憶細(xì)胞在危重疾病中的新冠肺炎克隆型相對(duì)耗竭（圖5M）。
·?新冠肺炎血漿蛋白質(zhì)組揭示嚴(yán)重程度和疾病特異性的相關(guān)性涉及急性期蛋白屏轰、代謝過程和組織損傷的標(biāo)志物低
? ? ? ?作為對(duì)多組學(xué)研究的補(bǔ)充颊郎，研究者使用LC-MS/MS?技術(shù)研究血漿蛋白組特征，并發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重程度和病因的差異霎苗。嚴(yán)重疾病與急性期蛋白姆吭、補(bǔ)體系統(tǒng)蛋白、補(bǔ)體膜攻擊復(fù)合體成分和與功能相關(guān)的蛋白質(zhì)家族上調(diào)有關(guān)（圖6A和B）唁盏。通過蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn)一個(gè)大類群内狸，富集于包含膽固醇運(yùn)輸和纖維蛋白血栓的生物學(xué)過程。兩個(gè)較小的富集于細(xì)胞溶解和補(bǔ)體激活的類群與疾病嚴(yán)重程度呈正相關(guān)（圖6C）厘擂。與樣品間差異主要相關(guān)的過程有急性期反應(yīng)和炎癥昆淡、代謝和膽固醇運(yùn)輸。輕度住院的新冠肺炎患者在類維生素A刽严、膽固醇昂灵、脂蛋白和脂溶維生素的囊泡運(yùn)輸和代謝過程上與健康志愿者不同；而社區(qū)患者的補(bǔ)體激活和凝血水平更高舞萄。將重癥和膿毒癥患者進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)了19個(gè)蛋白顯示出新冠肺炎特有的變化眨补，表現(xiàn)為急性期反應(yīng)增強(qiáng)、補(bǔ)體活化和受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用倒脓。
·??血漿細(xì)胞因子和趨化因子圖譜顯示炎癥介質(zhì)參與的證據(jù)
? ? ? ?為了表征SARS-CoV-2應(yīng)答的炎癥介質(zhì)撑螺，研究者使用Luminex分析了51個(gè)循環(huán)細(xì)胞因子和趨化因子蛋白。結(jié)果表明崎弃，與健康志愿者相比甘晤，49%新冠肺炎患者的血漿中分析物含量豐度不同，其中其中CCL2吊履、CCL19等上調(diào)表達(dá)的因子與住院新冠肺炎患者病情嚴(yán)重程度密切相關(guān)（圖6D）安皱。進(jìn)一步與膿毒癥和流感進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)重癥/危重新冠肺炎患者血漿G-CSF艇炎、IL-8酌伊、TNF等蛋白水平水平低于膿毒癥（圖6E）。使用蛋白質(zhì)—臨床特征分析解析新冠肺炎嚴(yán)重程度發(fā)現(xiàn)臨床特征與GM-CSF、CXCL10和TREM-1等蛋白質(zhì)存在強(qiáng)烈相關(guān)性（圖6F）居砖。
·??血漿蛋白質(zhì)組變異鑒定不同疾病嚴(yán)重程度的患者亞型
? ? ? ?利用SNF整合LC-MS/MS?和?Luminex數(shù)據(jù)虹脯，通過對(duì)疾病嚴(yán)重程度分析（吸入氧濃度和SOFA氧氣評(píng)分）發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)分離的類群，并鑒定到11個(gè)蛋白質(zhì)作為分類的主要判別特征（圖6G）奏候。當(dāng)比較這兩個(gè)類群時(shí)發(fā)現(xiàn)類群2與較高的28天死亡率相關(guān)（圖6H）循集。在另一個(gè)利用Olink蛋白檢測(cè)技術(shù)的隊(duì)列中進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，利用11個(gè)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)中的7個(gè)確定了2個(gè)最佳類群蔗草，這些與疾病嚴(yán)重程度有明確關(guān)系（圖6I）咒彤，區(qū)分新冠肺炎和膿毒癥的特征包括在膿毒癥中升高的LCN2和CCL20，以及在新冠肺炎中升高的CXCL10咒精、APCs和FN1镶柱。
·??有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)鑒定預(yù)測(cè)疾病嚴(yán)重程度的蛋白質(zhì)biomarkers
? ? ? ?使用機(jī)器學(xué)習(xí)將兩種蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)和全血全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序整合分析，確定了實(shí)驗(yàn)類型特異性的方差信息成分模叙，以降低訓(xùn)練樣品集的維度歇拆，然后確定哪些信息最豐富，哪些基因/蛋白質(zhì)對(duì)每個(gè)成分的貢獻(xiàn)最大（圖7A）范咨。分析結(jié)果表明故觅，急性期蛋白SAA2和CRP、IGHG4渠啊、趨化因子(CCL20和CCL2)输吏、IL-6和補(bǔ)體成分C5a可預(yù)測(cè)嚴(yán)重程度，在hold-out驗(yàn)證集中驗(yàn)證這些特征的綜合表現(xiàn)昭抒，預(yù)測(cè)WHO類別組的平衡準(zhǔn)確率為75%-80%（圖7B）评也。此外炼杖，還在住院新冠肺炎患者和膿毒癥患者中篩選特征灭返，結(jié)果鑒定到81個(gè)特征，確定了特異的差異表達(dá)基因坤邪、蛋白質(zhì)和顯著富集的一些通路包括造血細(xì)胞譜系和腎素-血管緊張素系統(tǒng)熙含。
·??新冠肺炎嚴(yán)重性和特異性的綜合標(biāo)志
? ? ? ?利用SDA算法，從細(xì)胞組成艇纺、基因表達(dá)和血漿蛋白質(zhì)組學(xué)角度入手怎静，對(duì)152個(gè)樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了381個(gè)潛在的SDA成分（圖7C和D）黔衡。其中成分171與新冠肺炎嚴(yán)重程度最相關(guān)蚓聘，該成分的高特征貢獻(xiàn)來自血漿蛋白質(zhì)，包括升高的血漿趨化因子（趨化和激活盟劫、GM-SCF以及急性期激活蛋白夜牡、LRG1和LBP）、豐度降低的中間單核細(xì)胞侣签、高表達(dá)的細(xì)胞應(yīng)激伴侶CLU和甲基轉(zhuǎn)移酶?METTL7B塘装、下調(diào)表達(dá)的IgE受體和多個(gè)HLA II類基因急迂，以及抗原呈遞、TCR?信號(hào)傳導(dǎo)和哮喘的通路富集（圖7E）蹦肴。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)于健康志愿者相比僚碎，有130個(gè)SDA成分與新冠肺炎有關(guān)。與輕阴幌、重度但非危重疾病相關(guān)的成分包括成分256(干擾素反應(yīng)基因上調(diào)勺阐，過氧化氫酶和細(xì)胞色素c氧化酶等基因下調(diào)，該成分是新冠肺炎患者特有的）和成分42（圖7F）矛双。這種方法還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)新冠肺炎特有的成分187皆看，它在住院和社區(qū)新冠肺炎患者中的NK、B和T細(xì)胞中具有高負(fù)荷分?jǐn)?shù)（圖7G）背零。此外腰吟，研究者還鑒定到新冠肺炎和流感相關(guān)的成分，包括廣泛上調(diào)的免疫球蛋白heavy/kappa/lambda基因徙瓶、JCHAIN毛雇、與可能的抗體依賴的細(xì)胞毒性有關(guān)的MZB1(成分6)；以及顯著上調(diào)干擾素途徑基因(成分235)侦镇。（圖7H和I）灵疮。總體而言壳繁，潛在成分分析確定了關(guān)于膿毒癥和流感的新冠肺炎嚴(yán)重程度和特異性的特征震捣。研究者發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的細(xì)胞群體如增殖的單核細(xì)胞和漿母細(xì)胞，以及從干擾素信號(hào)到骨髓生成闹炉、免疫球蛋白產(chǎn)生和應(yīng)激激活反應(yīng)信號(hào)的固有和適應(yīng)性機(jī)制的特征蒿赢。
主要結(jié)論：
? ? ? ?本研究構(gòu)建了一個(gè)關(guān)于不同新冠肺炎疾病程度的綜合型多組學(xué)血液圖譜，并與流感渣触、膿毒癥患者和健康志愿者進(jìn)行比較羡棵，鑒定到免疫特征和宿主反應(yīng)的相關(guān)因素。疾病嚴(yán)重程度的特征涉及細(xì)胞嗅钻、它們的炎癥介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)皂冰，包括祖細(xì)胞和特定的髓樣和淋巴細(xì)胞亞群，免疫組庫的特征养篓，急性期反應(yīng)秃流，代謝和凝血。持續(xù)的免疫激活涉及AP-1/p38MAPK柳弄，這是新冠肺炎的一個(gè)特征舶胀。血漿蛋白質(zhì)組能夠?qū)颊呷哼M(jìn)行亞表型分型，并能預(yù)測(cè)病情嚴(yán)重程度和預(yù)后【基于系統(tǒng)的綜合分析顯示席怪，與流感和膿毒癥相比，特征分組與嚴(yán)重性和特異性有關(guān)纤控。綜上所述挂捻，研究者使用的方法和構(gòu)建的血液圖譜將有助于未來的藥物開發(fā)、臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)和新冠肺炎的個(gè)性化用藥方法船万。
參考文獻(xiàn)：
A blood atlas of COVID-19 defines hallmarks ofdisease severity and specificity. Cell vol. 185,5 (2022): 916-938.e58
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