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新型冠状病毒肺炎 （COVID-19） 自2019年底爆发以来，已在全球夺去240多万人生命，感染总人数超过1亿1千万。在推广疫苗接种保护健康群体的同时，理解重症患者发病机制对于研发新冠药物，降低死亡率意义重大。
新冠病毒入侵人体后可引起多种免疫细胞的反应。轻症患者的免疫系统清除病毒后会恢复正常状态，而重症患者的免疫系统在清除病毒后仍然高度激活，产生大量细胞因子，引起强烈肺部炎症反应和组织损伤甚至可以通过血液传输造成全身多器官衰竭。已有研究显示这种细胞炎症因子风暴涉及患者体内巨噬细胞，中性粒细胞，T细胞等类群的相互作用【1,2】。然而在重症患者肺部和外周血液中，免疫细胞相互作用的详细机制仍有待探究。T细胞作为特异性免疫反应的核心角色，其调节过程更值得深入解析。
2021年2月23日，德国汉堡大学医学院转化免疫学中心和生物医学人工智能研究中心的团队在Science Immunology杂志上发表文章Clonal expansion and activation of tissue-resident memory-like Th17 cells expressing GM-CSF in the lungs of severe COVID-19 patients，通过单细胞组学手段解析重症新冠患者的T细胞免疫反应。
在这项工作中，研究团队收集了9名重症新冠肺炎患者和5名细菌性肺炎患者的肺泡液 （BAL fluid） 和血液样本 （Blood）（图一），对流式分选出的13万多个免疫细胞进行了单细胞转录组 （Single cell RNA-seq） 和表面抗原的测序 （CITE-seq） 。此外，研究人员还对所有CD3阳性T细胞的受体基因进行了测序 （TCR-seq） 。单细胞转录组可以无偏差地显示每个细胞每个基因的表达；测量表面抗原有助于确认每种免疫细胞的亚型；而测量T细胞受体有助于具体了解哪些T细胞在患者体内病毒抗原刺激下发生了特异性的克隆扩增。
图一：研究设计和患者样本信息
经过整合聚类分析后，研究者们获得了患者免疫细胞的图谱（图二）。他们发现新冠重症患者中发生克隆扩增的T细胞，尤其是扩增的CD4 辅助性T细胞主要来源于肺泡液而不是血液，而且产生促炎性细胞因子 （proinflammatory cytokines） 的T细胞也主要来源于肺部。对肺部T细胞的各个亚型的克隆扩增定量分析并对比新冠肺炎和细菌性肺炎后，他们发现一些CD4阳性的Th17细胞亚群特异性地在新冠患者中有克隆扩增，而在细菌性肺炎患者体内扩增很少。进一步的分析发现，其中一小群Th17表达了组织驻留记忆T细胞 （Tissue resident memory T cell） 的基因，而且相同患者的血液中很少找到这组细胞的克隆体，揭示了相同病人的组织间差异。研究者将这类组织驻留记忆性的Th17细胞简称为Trm17细胞。比较有趣的是，这些Trm17细胞正好表达了一些促炎性细胞因子，比如IL17A,IFNG，GM-CSF等，暗示了其潜在的致病功能。
为了研究不同免疫细胞类群间的相互作用，研究者还进行了受体配体交互分析 （ligand-receptor interactome analysis） 。结果显示上述Trm17细胞分泌配体所对应的受体表达在多个免疫细胞类群中，包括促炎性的巨噬细胞 （Pro-inflammatory Macrophage） ，促纤维化的巨噬细胞 （Pro-fibrotic Macrophage） 以及CD8阳性的杀伤性T细胞。而这三种细胞群在之前的研究中都有被报道和新冠患者的炎症风暴及组织损伤直接相关【1，2】。其中Trm17和促纤维化的巨噬细胞的核心作用成员就是GM-CSF及其受体。
图2二：患者免疫细胞图谱和免疫细胞间相互作用网络图
该研究团队又在蛋白水平上对新冠患者血液中的IL17A，GM-CSF进行了检测，发现其表达水平在重症患者中要高于轻症患者，进一步提示组织驻留记忆性的Th17细胞在新冠重症免疫反应中重要的调节作用。比较让人振奋的是，其他团队同时进行的GM-CSF中和抗体的新冠治疗研究已经取得了初步的临床结果【3,4】。
综上，该项研究运用单细胞组学分析的手段系统对比分析了新冠重症患者肺部和血液的免疫细胞，完善了新冠免疫调节的复杂机制图谱，并且重点揭示了Trm17细胞的特异性调节功能以及药物靶向价值。
德国汉堡大学医学院转化免疫学中心和生物医学人工智能研究中心的博士研究生赵宇是该论文的第一作者，Nicola Gagliani教授和Christian Krebs博士为通讯作者。
附本研究第一作者赵宇于2020年12月6日在德国生物医学学者联合会讲座关于本项新冠免疫研究的视频录播。
原文链接：
https://immunology.sciencemag.org/content/6/56/eabf6692
制版人：十一
参考文献
1. Liao et al., Single-cell landscape of bronchoalveolar immune cells in patients with COVID-19.Nat Med26, 842-844 (2020).
2. Chua et al, COVID-19 severity correlates with airway epithelium-immune cell interactions identified by single-cell analysis.Nat Biotechnol38, 970-979 (2020).
3. De Luca et al., GM-CSF blockade with mavrilimumab in severe COVID-19 pneumonia and systemic hyperinflammation: a single-centre, prospective cohort study.Lancet Rheumatol2, e465-e473 (2020).
4. Temesgen et al., GM-CSF Neutralization With Lenzilumab in Severe COVID-19 Pneumonia: A Case-Control Study.Mayo Clin Proc, (2020).