截至2021年2月，COVID-19疾病已经蔓延成为全球大流行，超过1亿人感染，导致超过200万人死亡。研究表明，COVID-19疾病的严重程度是由免疫系统为了清除病毒而过度激活引起的炎症综合征驱动的。持续性炎症可导致肺组织损伤，肺水肿液渗出，导致呼吸困难和急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。外周血或支气管肺泡灌洗液中的免疫分析揭示了免疫系统的主要变化，如过度的中性粒细胞激活，淋巴细胞减少，和异常的适应性免疫系统反应。然而，在空间背景下对受感染组织和免疫系统的深入分析直到最近才开始，目前缺乏对大多数受感染器官(包括肺)的深入分析。为了阐明COVID-19疾病肺部感染期间的细胞组成、空间背景以及免疫细胞和主要细胞类型之间的相互作用。文中对COVID-19患者、其他导致急性呼吸系统综合症(ARDS)的肺部感染患者和健康个体的死后肺组织进行了成像质谱流式细胞技术检测。
肺 部 病 理 研 究 思 路
图1 肺感染队列的组成和通过成像质谱流式细胞技术(IMC)获取多路空间解析数据的原理程序
研 究 结 果
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COVID-19肺的病理生理学
通过IMC利用了基于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的激光消融组织中的镧系金属标记抗体，以空间解析的方式定量检测表位丰度(图1a)。文中panel包括内皮细胞、上皮细胞、间充质细胞和免疫细胞的表型标志物、功能标志物(活化、炎症和细胞死亡)，以及一种针对SARS-CoV-2纤突蛋白的抗体。由于观察到在所有病理情况下，死后患者的肺均显示出显著的重量增加(图1b)，文中使用IMC数据来量化感染下的肺组织病理学, IMC图像的腔隙空间占图像面积的百分比和IMC图像的纤维化评分(图1c-d)。健康个体、ARDS或COVID-19患者肺腔隙和肺实质结构的代表性图像以及肺部图像中的胶原蛋白及其相关纤维化评分(图1e-f)。文中所有疾病组的664,006个单细胞被投射到二维空间(图1g)，并基于它们的表型聚类(图1h)，形成人类肺的单细胞表型图谱。健康个体和COVID-19患者肺部免疫细胞的空间分布。各疾病组中性粒细胞和巨噬细胞的丰度，各疾病组均有丰富的间充质细胞和成纤维细胞，以及所有疾病组之间(n=15)在IMC (x轴)和IHC (y轴)之间的两个标记物的成对变化量(效应大小) (如图1j-i)。并通过IMC (x轴)和靶向空间转录组学(y轴)估算的COVID-19晚期和早期组间每种细胞类型(n=24)的变化量(图1m)。
图1 肺部感染的结构和免疫紊乱
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炎症引起的组织损伤
文中观察到SARS-CoV-2 Spike抗体对COVID-19患者组织样本的高特异性(图2a)。其中肺泡上皮细胞表现出最高的SARS-CoV-2 Spike (Spike )阳性率(图2b)。肺泡上皮细胞的表型取决于高峰水平, 细胞间差异标记的强度依赖于Spike水平(如图2c-d)。文中观察到Spike 细胞在定位上的高度异质性，通常在相同的位置1 mm2的组织区域(图2e)。比较健康和COVID-19肺之间的巨噬细胞和成纤维细胞之间的相互作用，巨噬细胞优先与肺泡壁的成纤维细胞相互作用，表明在疾病晚期，巨噬细胞促进了肺泡壁的纤维化和增厚(图2f-h)。观察到越来越多的细胞带有细胞死亡的标记物，特别是带有cCasp3的巨噬细胞和中性粒细胞(图2i)，而上皮细胞和内皮细胞优先出现细胞死亡C5b-C9(图2j,k)，可能提示肺泡损伤。
图2 SARS-CoV-2感染的细胞趋向性
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临床注释相关联的肺病理景观
所有IMC图像的主成分分析(PCA)。点代表按疾病组着色的图像。箭头是每个细胞簇的载体，表示每种细胞类型最丰富的区域(图3a)。巨噬细胞或中性粒细胞等免疫细胞种类丰富，这些细胞分别在COVID-19或肺炎中最为丰富，COVID-19患者肺部的胶原沉积也最为丰富(图3b)。文中为了给景观提供一层临床解释，对其轴与肺部感染患者的已知人口统计学、临床和病理因素之间进行了关联分析(图3c)。临床参数在二维PCA空间上的投影(如图3d), 为了进一步的临床解释景观，文中将相关的临床、人口统计学和病理变量在解释成像质谱细胞技术数据时的相似程度联系起来(图3e)。
图3 一个数据驱动的，临床注释相关联的肺病理景观
结 论
研究发现，SARS-CoV-2主要感染肺泡上皮细胞，并诱导与肺损伤相关的局部高炎症细胞状态。观察到巨噬细胞外渗、间质细胞和成纤维细胞丰度增加，同时随着疾病的进展，这些细胞类型之间的距离也随之增加，这可能是为了修复受损的肺组织。这些从空间上解析的单细胞数据使研究人员能够从结构、免疫学和临床的角度得出生物学上可解释的肺部病理学景观。这种空间单细胞景观使得人类肺部的病理生理学特征从宏观表现到单细胞病理生理学表征，为理解COVID-19以及一般的肺部病理提供了重要基础。
参 考 文 献
Rendeiro, A.F., Ravichandran, H., Bram, Y. et al. The spatial landscape of lung pathology during COVID-19 progression. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03475-6.
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