單細(xì)胞測序技術(shù)在感染性疾病研究中的應(yīng)用

簡介

在過去十年的發(fā)展中，單細(xì)胞RNA測序（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、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，它們在結(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；(C)檢測炎癥反應(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)測炎癥反應(yīng)的變化并確定關(guān)鍵的炎性因子對于了解感染的程度、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)差異相對應(yīng)的免疫途徑。這將加深我們對在整個(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

對于特定的病原體，易感細(xì)胞的鑒定對于理解其致病機(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

免疫庫是指在任何給定時(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）測序從COVID-19的康復(fù)期患者血漿中富集抗原的B細(xì)胞測序，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)測感染后的T細(xì)胞反應(yīng)或測試疫苗接種的功效。因此，scRNA-seq與BCR / TCR測序相結(jié)合，可以為針對感染的適應(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等對登革熱患者的PBMC進(jìn)行了scRNA-seq檢測，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，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.