簡(jiǎn)介

在過去十年的發(fā)展中，單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）技術(shù)在生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用日益增加，大大增加了我們對(duì)免疫學(xué)、腫瘤學(xué)和發(fā)育生物學(xué)中細(xì)胞異質(zhì)性的了解。今天我們主要討論一下scRNA-seq技術(shù)在感染性疾病研究中的應(yīng)用，以及其廣闊的前景。

一、助力免疫圖譜研究

• 識(shí)別新型免疫細(xì)胞亞型

當(dāng)面對(duì)各種傳染性病原體時(shí)，異種免疫細(xì)胞會(huì)參與各種重要的生物學(xué)過程，例如病原體識(shí)別、殺死和抗原呈遞。新型免疫細(xì)胞亞群的鑒定以及在感染過程中對(duì)其分子特征、動(dòng)力學(xué)和功能的理解將極大地促進(jìn)我們對(duì)感染性疾病機(jī)制和后續(xù)治療策略的了解。

例如，Gierahn等人利用scRNA-seq技術(shù)，從結(jié)核病患者中鑒定出三個(gè)肺巨噬細(xì)胞亞群，與細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞代謝和缺氧有關(guān)的基因水平在不同的亞型中有所不同。肺巨噬細(xì)胞免疫狀態(tài)的變化表明，它們?cè)诮Y(jié)核病患者中起源不同或適應(yīng)不同的微環(huán)境。

• 感染期間分析免疫細(xì)胞的情況

對(duì)免疫細(xì)胞的概況進(jìn)行分析可以表征生理和感染狀況之間的總體免疫細(xì)胞組成，這為了解感染性疾病的致病機(jī)理提供了關(guān)鍵信息。例如，scRNA-seq分析將HIV-1包膜疫苗接種的新生猴和成年猴的外周血單核細(xì)胞，它進(jìn)一步證明（圖2B），在新生猴子中發(fā)現(xiàn)活化的B細(xì)胞比率顯著增加，表明在HIV感染期間，新生免疫系統(tǒng)比成年猴子產(chǎn)生更強(qiáng)的保護(hù)性反應(yīng)。這一結(jié)果也表明，活化的B細(xì)胞的擴(kuò)增可能在控制HIV感染中起著至關(guān)重要的作用。
 

圖2. 免疫圖譜研究。(A)識(shí)別新的免疫細(xì)胞亞型；(B)感染過程中免疫細(xì)胞情況的檢測(cè)；(C)檢測(cè)炎癥反應(yīng)的變化；(D)確定感染期間差異表達(dá)基因的免疫信號(hào)通路。
 

• 檢測(cè)炎癥反應(yīng)的變化

炎性因子主要由受到刺激的免疫細(xì)胞分泌，可調(diào)節(jié)先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)、募集免疫細(xì)胞等。感染后監(jiān)測(cè)炎癥反應(yīng)的變化并確定關(guān)鍵的炎性因子對(duì)于了解感染的程度、疾病發(fā)病機(jī)理以及開發(fā)新的治療策略具有重要作用。

利用scRNA-seq技術(shù)，Zhang等人在被IAV感染的小鼠的肺中發(fā)現(xiàn)了各種炎癥因子的變化（圖2C）。感染后的前3天到第7天時(shí)，主要促炎癥因子發(fā)生了巨大變化。這些研究表明，scRNA-seq技術(shù)的應(yīng)用可以促進(jìn)研究感染過程中炎癥因子分泌的變化，揭示重要的細(xì)胞和分子致病機(jī)理。

• 識(shí)別感染期間差異表達(dá)基因的免疫信號(hào)通路

在一項(xiàng)旨在了解B細(xì)胞針對(duì)流感疫苗的免疫力的研究中，已證明一部分外周記憶B細(xì)胞被疫苗激活，而其他記憶B細(xì)胞則保持失活。在活化和失活的記憶B細(xì)胞之間發(fā)現(xiàn)了172個(gè)基因的表達(dá)差異，揭示了與宿主抵抗流感病毒的防御有關(guān)的信號(hào)通路（圖2D）。

因此，scRNA-seq能夠識(shí)別與整個(gè)感染過程中宿主基因表達(dá)差異相對(duì)應(yīng)的免疫途徑。這將加深我們對(duì)在整個(gè)感染過程中發(fā)生的免疫過程的了解，并有助于為處于不同感染階段的患者開發(fā)治療藥物。
 

二、研究宿主-病原體相互作用

• 識(shí)別易感細(xì)胞類型

對(duì)于特定的病原體，易感細(xì)胞的鑒定對(duì)于理解其致病機(jī)制至關(guān)重要。例如，使用scRNA-seq和聚類分析，Steuerman等人從野生型和感染流感病毒的Irf7基因敲除小鼠的肺中分離出的CD45 +和CD45-細(xì)胞中，鑒定出5種免疫細(xì)胞和4種非免疫細(xì)胞。進(jìn)一步的分析表明，上皮細(xì)胞中病毒mRNA的含量明顯高于其他細(xì)胞類型（圖3A）。較高的病毒載量表明病毒在上皮細(xì)胞之間定殖和傳播的可能性更大。
 

圖3. 研究寄主與病原菌的相互作用。(A)識(shí)別易感細(xì)胞類型；(B)研究感染動(dòng)力學(xué)。
 

• 研究感染動(dòng)態(tài)

研究感染的動(dòng)態(tài)，其重點(diǎn)在于病原體如何在體內(nèi)增殖和傳播，以及它們?nèi)绾闻c發(fā)病機(jī)理聯(lián)系。這些研究可能會(huì)促進(jìn)針對(duì)不同感染過程的患者開發(fā)個(gè)性化療法，這將有助于分級(jí)診斷和治療并縮短治療時(shí)間。

例如，Romas等人，在感染初期，以scRNA-seq技術(shù)分析了IAV與呼吸道上皮細(xì)胞之間相互作用的動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)感染宿主細(xì)胞的病毒的感染復(fù)數(shù)（MOI）對(duì)宿主固有免疫有很大影響。較高的MOI會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)病毒mRNA增加（圖3B），并對(duì)先天免疫應(yīng)答產(chǎn)生更強(qiáng)的拮抗作用，例如抑制IFN的產(chǎn)生。還發(fā)現(xiàn)低劑量病毒感染引起的早期先天免疫應(yīng)答對(duì)旁觀者細(xì)胞具有保護(hù)作用，這可能阻止病毒的進(jìn)一步傳播。

三、 研究學(xué)習(xí)免疫庫(kù)

免疫庫(kù)是指在任何給定時(shí)間具有不同抗原特異性的所有B細(xì)胞和T細(xì)胞。它在鑒定有效的中和抗體和測(cè)試疫苗接種的有效性方面具有重要的應(yīng)用。Xie的研究小組使用scRNA-seq和B細(xì)胞受體（BCR）測(cè)序從COVID-19的康復(fù)期患者血漿中富集抗原的B細(xì)胞測(cè)序，并回收了14種高活性病毒中和抗體。體內(nèi)研究證實(shí)，一種中和抗體BD368-2具有強(qiáng)大的治療潛力。

scRNA-seq也可用于監(jiān)測(cè)感染后的T細(xì)胞反應(yīng)或測(cè)試疫苗接種的功效。因此，scRNA-seq與BCR / TCR測(cè)序相結(jié)合，可以為針對(duì)感染的適應(yīng)性免疫反應(yīng)提供重要見識(shí)，并加速中和抗體和特定疫苗的開發(fā)。這對(duì)于預(yù)防新發(fā)或大流行性感染性疾病至關(guān)重要。

四、 感染性疾病生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)

生物標(biāo)志物是指在某些生物過程中發(fā)生的強(qiáng)烈生化或細(xì)胞變化，已廣泛應(yīng)用于疾病診斷和生物醫(yī)學(xué)研究。當(dāng)前，用于感染性疾病的具體生物標(biāo)記物是有限的，并且仍然需要進(jìn)一步的探索。scRNA-seq極大地促進(jìn)了疾病相關(guān)生物標(biāo)志物的鑒定。

例如，Zanini等對(duì)登革熱患者的PBMC進(jìn)行了scRNA-seq檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在嚴(yán)重的登革熱疾病發(fā)生之前，B細(xì)胞中的MX2表達(dá)以及CD14 +、 CD16 +單核細(xì)胞中的CD163和IFIT1表達(dá)均顯著上調(diào)。這些上調(diào)的基因可用作將來預(yù)測(cè)登革熱疾病進(jìn)展的生物標(biāo)志物。

展望

由于大部分通過批量RNA-seq所獲得的信息也可以通過scRNA-seq來獲得，因此scRNA-seq在解決系統(tǒng)性復(fù)雜生物學(xué)和臨床問題方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，并且通過將scRNA-seq和多組學(xué)分析相結(jié)合，可以快速系統(tǒng)地闡明各種感染性疾病的致病機(jī)制。其成本效率的不斷提高也將鼓勵(lì)其在各學(xué)科中的更多應(yīng)用。

隨著單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的迅速發(fā)展和推廣運(yùn)用，接下來肯定會(huì)有大量的高質(zhì)量研究出爐，想搭上這艘快船的小伙伴們不要錯(cuò)過機(jī)會(huì)哦，抓緊聯(lián)系我們吧。

文章來源：

Geyang Luo, Qian Gao, Shuye Zhang,Bo Yan. Probing infectious disease by single-cell RNA sequencing: Progressesand perspectives. Computational and Structural Biotechnology Journal, 2020, 18:2962–2971.