王福生/白凡团队合作揭示新冠肺炎发病过程中整体免疫反应特征及相关规律

今年年初,新冠肺炎(The coronavirus disease 2019, COVID-19)疫情在世界范围内快速暴发。根据世界卫生组织(World Health Organization, WHO)最新统计数据显示,截止到2020年8月11日,新冠肺炎在全球已导致累计近2000万确诊病例和超过73万死亡病例,平均每天新增俞20万确诊病例和4000死亡病例【1】。新冠肺炎在有些国家仍呈大流行趋势,尚未得到有效控制,目前针对新冠肺炎还没有特效药物和疫苗。因此,揭示疾病进程、阐明发病机制对临床诊治十分重要,尤其是对药物和疫苗的研发尤为关键。

针对此科学问题,2020年8月12日,中国人民解放军总医院第五医学中心王福生院士团队与北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、生命科学学院白凡研究员团队合作在Nature Immunology杂志上发表文章Single-cell landscape of immunological responses in patients with COVID-19应用单细胞测序技术,全面揭示了轻中型、重型新冠肺炎患者及其从发病期到康复期机体整体免疫学变化特征、机制和规律。

在本项研究中,研究团队通过对13名新冠肺炎感染者的17例(轻中型7例,重型4例和康复期6例)外周血单个核细胞(Peripheral blood mononuclear cell, PBMC)样本进行高通量单细胞测序,结合单细胞转录组以及免疫组学数据,详细描绘了新冠肺炎轻中型、重型和康复患者的免疫反应图谱。对新冠肺炎临床的研究,治疗和疫苗研发等方面具有重要意义和价值。

 

首先,通过与健康人对比,研究团队在新冠肺炎患者PBMC中发现与特异性免疫应答相关的细胞占比大幅度上升,如activated T, Pro T和 plasma B 等;而naïve T 和 Mono DC等细胞相对健康人明显下降,这提示新冠肺炎患者存在广泛的免疫激活。尽管处于康复期的新冠肺炎患者的许多临床指标恢复正常,但是包括naïve T 和Treg在内的细胞类群并没有恢复到健康人的比例。接着研究人员发现,在新冠肺炎患者PBMC中,包括天然免疫细胞和适应性免疫细胞等多种细胞类型均存在强烈的I型干扰素响应以及急性炎症反应和细胞凋亡、迁移能力的升高,并且这些现象在重型新冠肺炎患者中尤为明显。

进一步,研究人员系统描绘了T、B细胞亚群在健康人及不同程度新冠肺炎患者中的比例变化、克隆特点等免疫反应特征。

针对T细胞的分析发现,相比于健康人,新冠肺炎患者激活状态T细胞比例明显增强。在轻中型患者中效应T细胞表现出更强的细胞杀伤毒性、更低的耗竭状态以及更明显有效的克隆扩增。然而在重型新冠肺炎患者中效应T细胞展现出更高的耗竭状态并缺乏有效的克隆扩增。特别地,研究人员发现了一群在轻中型患者中显著的富集高表达CD160的NKT细胞,这群NKT细胞的转录组特征与之前报道的可以有效抗病毒的γδ NKT /Vδ1 T细胞类似【2-5】,提示这群细胞可能与SARS-CoV-2感染的疾病严重程度相关。以上结果提示,效应T细胞比例和活性的增加以及有效的克隆扩增等特点可能是轻中型新冠肺炎患者相比重型能更有效控制病毒的原因。

 

最后,研究团队发现,在新冠肺炎重型患者的B淋巴细胞中存在BCR重组,IGHV和IGKJ等基因使用偏好性和明显克隆扩增现象。相应地,重型患者中也观察到浆细胞扩增现象。以上结果提示体液免疫高度活化是重型患者的典型免疫响应特点。

该研究基于高通量单细胞转录组数据及配对的T/B细胞受体(TCR/BCR)序列数据,全面刻画了在新冠肺炎感染不同症状患者中,先天性免疫细胞和T、B细胞亚群的动态变化、克隆特点等免疫反应特征。为进一步理解、控制和攻克新冠肺炎疫情提供了宝贵的数据参考和资源。更为关键的是为包括干细胞治疗在内的免疫干预策略奠定了基础。

解放军总医院第五医学中心王福生院士和北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、生命科学学院白凡研究员为本文的共同通讯作者。解放军总医院第五医学中心张纪元博士、徐哲博士,北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、生命科学学院博士研究生王湘铭和清华大学生命科学学院博士研究生邢旭东为本文的共同第一作者。

原文链接:http://doi.org/10.1038/s41590-020-0762-x

[1] https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/situation-reports

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[5] Farnault, L. et al. Clinical evidence implicating γδ T cells in EBV control following cord blood transplantation. Bone Marrow Transpl. 48, 1478–1479 (2013)

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