< 国内学者再创佳绩 - 新冠疾病进程中基因表达谱和免疫反应的变化

目前已有COVID-19临床和血浆细胞因子特征的多项研究成果发表,但是全世界对SARS-CoV-2感染宿主后宿主天然免疫状态的了解依旧十分有限,而且在感染后免疫相关基因表达水平的变化情况也完全不清楚。近期北京佑安医院发表在《Clinical Infectious Diseases》的研究成果成功填补了这一空白。

本研究围绕着11位核酸检测确诊的COVID-19患者展开。这11位患者依据临床表现,6人被分至重症组(A组),5人被分至轻症组(B组)。研究人员分别在患者入院和初步治疗5天后采集外周血作为研究材料,此外还采集了7位正常人的外周血作为对照,旨在通过比较不同临床阶段样本的临床特征、细胞因子、免疫相关基因表达的特点来阐释COVID-19病程中免疫反应扮演的角色。

凭借着在病毒免疫方面丰富的研究经验,佑安医院的研究人员甄选了108个免疫相关的基因作为研究对象。可是如何解决想检测的基因数众多而从患者处采集的样本量有限的矛盾呢?研究人员是通过Fluidigm微流控芯片技术(Integrated Fluidic circuits)来解决这一难题的。基于微流控芯片技术,科研人员可同时在方寸空间内完成近万个qPCR反应,每个qPCR反应都是纳升(nl)级的反应体系,因此仅需1.25ul cDNA即可完成多达192个基因的同时检测。

研究发现,随着新冠肺炎病程加剧,发生调控紊乱的基因数目是增加的,重症组比轻症组检测到更多的差异表达基因(Differentially expressed genes, DEGs)(见下图A,重症组与对照组相比有63个基因下调,轻症组则只有37个基因下调,2个基因上调)。重症组和轻症组都能检测到的34个差异表达基因主要参与Th17细胞分化,细胞因子介导的信号通路,自然杀伤细胞介导的细胞毒性作用与T细胞活化(见下图B)等。
重症组独有的DEGs主要负责CD8 TCR信号通路,EPO信号通路,白介素介导的信号转导,肿瘤坏死因子(TNF)信号传导通路以及T细胞的增殖及富集等。这些结果都表明,SARS-CoV-2的感染导致Th1/Th17免疫调节作用的失衡和炎症反应受损。

然而经过初步治疗后,研究人员发现不论是重症组还是轻症组差异表达基因的数目比刚入院时有所减少。在初步治疗后,两组的差异表达基因主要分布在Th1,Th2和Th17细胞分化路径,Jak-STAT信号通路,T细胞受体信号通路以及TNF信号传导通路。研究人员观测到重症病例的MAP2K7 和 SOS1基因在治疗后较刚入院时上调。这两个基因与T细胞活化有关,在疾病进程中发挥着重要的作用。

此外,研究人员利用Fluidigm质谱流式(MassCytometry)技术观测到刚入院时COVID-19患者的T细胞百分比低于正常组水平(见下图),这在重症组里尤为显著。重症组病例的T细胞,CD4+ T细胞,CD8+ T细胞的百分比与对照组相比显著降低。经过初步治疗后,轻症组病例的所有T细胞的比例都回升到正常水平,但是在重症组病例中只有CD4+ T细胞的比例回升到与正常组相似的水平。在这里,研究人员选用质谱流式技术作为研究手段避免了做单阳性对照的烦恼,同时采取“live cell barcoding”策略有效地消除了细胞计数,操作误差对实验结果的影响。
在本项研究中COVID-19患者尤其是重症患者中T细胞比例的下降以及T细胞活化、分化过程中相关基因转录水平的下调向我们展示了SARS-CoV-2感染后随着病程进展免疫反应的变化。这些发现将帮助我们拓展对SARS-CoV-2感染机制的理解,也为将来开发免疫治疗方案和精准治疗提供了基础。北京佑安医院作为传染、感染病防治领域的急先锋,肩负着COVID-19筛查、诊断、救治、研究的艰巨任务,始终冲在抗疫第一线。谨以此文向这些新时代最可爱的人致以最崇高的敬意!

参考文献:

Down-regulated gene expression spectrum and immuneresponses changed during the disease progression in COVID-19 patients.
Y Ouyang et al.
Clin Infect Dis. 2020 Apr 20.pii: ciaa462. doi: 10.1093/cid/ciaa462.


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