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#新冠肺炎#由SARS-CoV-2病毒引发，其感染程度从无症状感染，到重症新冠肺炎，乃至死亡不等。导致病人死亡的首要因素为急性肺部损伤与急性呼吸窘迫综合征，以及多器官衰竭的并发症。而此外，重症新冠肺炎通常伴随着不恰当的促炎症宿主免疫反应和减弱的抗病毒干扰素反应。目前，我们尚无法回答关于新冠肺炎在病理生理学上许多分子和细胞层面的问题，例如：新冠肺炎是如何改变细胞组成和基因表达的？何种细胞更容易被感染？疾病相关的基因位点是如何影响新冠肺炎的易感性的？尸检样本对于回答上述问题，以及在病理生理学意义上了解重症新冠肺炎便显得至关重要，但较长的死后间隔时间（post-morteminterval，PMI）使得对尸检样本的详尽的基因组学研究成为一个挑战。
年4月29日，Nature杂志在线发表了由博德研究所(BroadInstitute)、医院、医院、贝斯以色列女执事医疗中心、麻省理工学院、哈佛大学医学院、Ragon研究所、哥伦比亚大学Irving医学中心等多家研究机构合作完成的题为COVID-19tissueatlasesrevealSARS-CoV-2pathologyandcellulartargets的文章。
该研究采集了在医院、医院以及贝斯以色列女执事医疗中心接受治疗并死于新冠肺炎的32名病人的份尸检样本，构成了一个覆盖11种器官的COVID-19尸检生物样本库。利用这个生物样本库，作者生成了COVID-19肺、肾、肝和心脏组织的单细胞（核）图谱以及肺的空间图谱（图1）。这些单细胞及空间图谱为揭示新冠肺炎病毒导致人体器官衰竭以及最终死亡的病理提供了重要依据。
图1COVID-19尸检图谱的实验及计算流程
利用自动细胞类型识别工具，作者在COVID-19的肺部组织单细胞（核）图谱中标注了28种细胞子类（图2）。作者还进行了COVID-19肺部组织图谱和健康肺部组织图谱的对比。通过这种对比，可以发现患者的II型肺泡细胞（AT2）数量显著减少。这有可能是病毒引起的细胞死亡导致的。同时，患者的树突状细胞，巨噬细胞，自然杀伤细胞，成纤维细胞以及内皮细胞数量都有所上升。通过对COVID-19及健康肺图谱中II型肺泡细胞的基因表达量进行比较，作者还发现与宿主病毒反应相关的基因在COVID-19病患的II型肺泡细胞中表达得更多。这些基因包括了与程序性细胞死亡相关的基因STAT1，以及与炎症和适应性免疫反应相关的基因。相反，与肺表面活性相关的的基因（如SFTPA1，SFTPA2,SFTPC等）则表达得更少。
图2COVID-19肺部组织的单细胞（核）图谱
PATS(pre-alveolartype1transitionalcellstate)是II型肺泡细胞向I型肺泡细胞转变过程中的一种过渡细胞类型。这种过渡类型在受伤的肺部更为常见（比如特发性肺纤维化）。通过与健康肺组织的对比，作者发现新冠肺炎患者的肺细胞中存在更多的PATS基因表达。这与重症新冠肺炎表现出的肺纤维化症状一致。有趣的是，一小部分的PATS细胞同时表达了基因KRT5/TP63/KRT17。这些PATS细胞有可能是TP63+IPBLP（intrapulmonarybasal-likeprogenitorcells）细胞。IPBLP细胞存在于远端呼吸道，是肺泡严重受损时的紧急细胞储备。这一现象此前只在H1N1流感的小鼠模型中观察到过。基于这些观察，作者提出了一个关于肺泡表皮细胞再生的模型（图3）：在健康的肺泡中，II型肺泡细胞会自我再生（1）。当负责呼吸与气体交换的I型肺泡细胞减少时，II型肺泡细胞会尝试通过转分化的过程转化成I型肺泡细胞（2）。但是在COVID-19的肺泡中，II型肺泡细胞的自我再生和向I型肺泡细胞的转化均被抑制，这导致大量处于中间状态的PATS细胞的堆积（3）。同时，作为肺部自我修复的最终尝试，在远端呼吸道的IPBLP细胞开始向肺泡迁徙（4）。当肺泡细胞的自我修复速度赶不上新冠病毒造成的破坏时，将有可能导致肺部的器官衰竭。
图3健康和COVID-19肺组织中表皮细胞再生的模型
接下来，作者考察了SARS-CoV-2病毒RNA在肺部细胞中的分布。作者发现新冠病毒载量（viralload）与患者出现症状到死亡的天数负相关，这与之前相关研究的结论是相符的。作者还发现在肺部的不同细胞类型中，髓细胞（Myeloidcells），特别是CD14highCD16high炎性单核细胞和LDB2highOSMRhighYAP1high巨噬细胞，含有更多的SARS-CoV-2病毒RNA。值得注意的是，这些表达SARS-CoV-2病毒RNA的细胞并不同时表达ACE2，TMPRSS2等病毒进入因子。
除单细胞（核）图谱外，本文还采用NanoStringGeoMx数字空间分析（DigitalSpatialProfiling,DSP）技术构建了尸检样本肺部细胞的空间转录组学图谱。通过对主要细胞类型代表基因在空间转录组中的表达分析，作者推导每个感兴趣区域（AreaofInterest,AOI）中主要细胞类型的组成（图4）。我们可以看出上皮细胞（PanCK+）区域中I型肺泡细胞和II型肺泡细胞占主导地位。在非上皮细胞（PanCK-）区域中，新冠患者比非新冠患者（D22-D24）有更多的成纤维细胞和肌成纤维细胞,这和其它空间组的研究结论吻合。通过对新冠患者和非新冠患者的对应感兴趣区域的对比以及基因通路分析，作者发现在新冠患者的空间转录组中，IFN响应、IFN响应及氧化磷酸化相关基因表达显著提升，而TNF、IL2-STAT5、TGF信号通路、根尖交界通路和缺氧通路相关基因表达显著下降。作者还对比了在相同尸检样本中发炎和未发炎的感兴趣区域，并发现在发炎感兴趣区域中与先天免疫和发炎(包括中性粒细胞脱粒、IFN信号和白介素信号通路)相关的基因表达量有显著增加。相应地，Claudins和紧密连接通路相关基因表达下降，表明发炎区域的肺泡屏障有所损毁。此外，对比患者中SARS-CoV-2病毒含量高的感兴趣区域（高组）与SARS-CoV-2病毒含量低的感兴趣区域（低组），可以发现病毒基因ORF1ab、S，以及趋化因子基因(CXCL2和CXCL3)的表达量在高组均有显著上升。值得注意的是，负责编码胞质型5（3）-脱氧核糖核苷酸酶的基因NT5C的表达量在高组也有显著提升。该基因之前并未被发现与肺部损伤有关。对NT5C的后续研究将会为了解此基因在新冠肺炎中的作用铺平道路。
图4PanCK+和PanCK-区域的细胞组成差异比较
除了肺部细胞图谱外，作者还构建了新冠肺炎尸检样本在肝脏、心脏和肾脏上的单细胞核图谱。虽然一些其它研究声称在非肺部的新冠肺炎组织中发现了病毒的RNA，作者并未在肝脏、心脏和肾脏的单细胞核图谱中发现多少SARS-CoV-2病毒RNA。通过和正常心脏组织的比较，作者发现新冠肺炎的心脏在细胞组成和基因表达上都有所变化：患者的心脏中出现心肌细胞和周细胞比例的显著降低，出现血管内皮细胞比例的显著增加；氧化应激诱导的细胞凋亡通路、细胞粘附和免疫通路、细胞分化通路分别在周细胞、心肌细胞和成纤维细胞中表达量增加。
最后，通过将细胞图谱数据与新冠肺炎的全基因组关联研究（genome-wideassociationstudy,GWAS）相结合，作者找到了具体细胞类型，尤其是II型肺泡细胞、纤毛细胞、CD8+T细胞和巨噬细胞，与新冠肺炎的遗传风险之间的关联。当GWAS及细胞图谱数据变得更多时，这种结合分析方法会变得更加有用。
该研究在遗体捐赠数目、遗体预筛条件、结束时间点、病毒RNA与实际感染的区分，以及技术上的干扰因子（譬如尸检间期）等方面尚有所不足。尽管如此，该研究所采用的方法使得对被新冠感染或受损的多种组织进行研究成为可能。该研究的数据为进一步研究宿主和SARS-CoV-2之间的生物学问题提供了重要资源。
博德研究所教授AvivRegev、资深科学家OritRozenblatt-Rosen、麻省理工大学副教授AlexK.Shalek、医院助理教授Alexandra-ChloéVillani和贝斯以色列女执事医疗中心助理教授教授IoannisS.Vlachos为本文共同通讯作者。他们与医院助理教授李博、博德研究所高级研究员SamouilL.Farhi等其他16位共同资深作者联合指导了本次研究的实验与分析工作。ToniM.Delorey、CarlyG.K.Ziegler、GrahamHeimberg、RachellyNormand、杨逸明等17人为共同第一作者。
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