肺是持续暴露于外界刺激的器官，肺部的免疫监测功能对于快速有效地响应病原体刺激以激活宿主免疫应答至关重要。肺部免疫功能对抵抗各种肺部疾病引起的肺部损伤至关重要，包括肺炎、肺癌、哮喘和慢性阻塞性肺病等，因此，研究人员迫切需要阐明肺部免疫功能的细胞和分子基础，鉴定可用于治疗目的以增强肺部抗感染能力的关键细胞和分子，并进一步探究肺部免疫细胞如何进行动态的时空协调以应对感染、清除病原体并消退炎症、恢复稳态，进而推动肺部疾病相关免疫疗法的开发。2024 年 10 月 16 日，南开大学、中国医学科学院/北京协和医学院、深圳华大生命科学研究院、昌平实验室及广州实验室等多单位合作，曹雪涛、汪建、刘龙奇、秦川和任仙文等团队合作在 Cell Discovery 上背靠背在线发表了两篇题为「Single-cell spatiotemporal analysis reveals alveolar dendritic cell-T cell immunity hubs defending against pulmonary infection」[1] 和「Single-cell spatiotemporal analysis of the lungs reveals Slamf9+ macrophages for viral clearance and inflammation resolution」[2] 的研究论文。
为了揭示组织中的细胞动态特征，研究人员建立一种高分辨率免疫制图（immunocartography）技术体系，即通过反卷积算法 Redeconve、空间共定位分析和 Louvain 聚类分析对高分辨率空间转录组测序（Stereo-seq）数据和单细胞转录组测序（scRNA-seq）数据进行整合分析，以全面绘制组织内各种细胞亚群的时空细胞图谱，进而为组织内免疫动态机制的解析提供新的线索。基于人体样本的多项研究已为 SARS-CoV-2 感染的免疫和病理机制提供了重要见解，然而这些基于尸检、外周血和支气管肺泡灌洗液样本的研究无法解析对病毒清除和炎症消退至关重要的原位细胞和分子事件。因此，为了探究肺部病毒感染和病毒清除整个过程中的细胞和分子时空动态特征，研究人员建立 SARS-CoV-2 感染金黄地鼠的模型，共获得五个时间点 142, 965 个细胞的 scRNA-seq 数据，以及 45 张空间转录组芯片（9 张/时间点），并应用免疫制图技术绘制了 SARS-CoV-2 感染前（d0）、急性组织损伤期（d2）、免疫应答期（d5）、病毒清除期（d7）以及炎症消退和组织修复期（d14）金黄地鼠肺组织的时空动态图谱。
图 1. SARS-CoV-2 感染前后金黄地鼠肺组织的单细胞时空特征分析 [1]
基于 d0 空间组芯片的 Louvain 网络聚类分析，研究人员确定了生理状态下肺部存在的 11 个多细胞模块，并发现由 Ccr7+Ido1+ DC、Cd160+Cd8+ T 细胞和 Tnfrsf4+Cd4+ T 细胞组成的定位于肺泡区域的 DC-T 免疫中枢（alveolar DC-T immunity hub），在生理状态的肺部存在的频率小于 1%。这三群关键细胞亚群在 SARS-CoV-2 感染的整个过程中均具有很强共定位，组成了较为稳定的免疫功能模块。在病毒感染早期（两天），肺泡 DC-T 免疫中枢的数量和大小即显著扩张，与包括 Slamf9+ 巨噬细胞在内的多种免疫细胞的空间共定位显著增强，提示 DC-T 免疫中枢在肺部应对病毒感染时扩张和招募以清除肺部病毒的特征，改变了细胞免疫一般需要一周左右对未知抗原发挥作用的传统认识。为了分析不同细胞亚群之间潜在的细胞间相互作用，研究人员进行了 CellChat 分析，发现 Cd160+Cd8+ T 细胞与 Slamf9+ 巨噬细胞存在复杂相互作用， 可能通过 Ccl5/Ccr5、Cxcl16/ Cxcr6、Cxcl10/ Cxcr3、Cxcl11/ Cxcr3、Cd160/Tnfrsf14 等配受体发挥招募和功能调控的作用。
图 2. 肺泡 DC-T 免疫中枢的鉴定与细胞互作解析 [1]
接下来，研究人员通过免疫荧光染色验证了 SARS-CoV-2 感染前后 hACE2 小鼠肺组织切片中 CD4、CD8、CD11c 和 CCR7 的空间共定位结构的存在，提示了这种 CD4+ T 细胞、CD8+ T 细胞和 CCR7+DC 的多细胞聚集结构在肺部免疫监视和快速响应肺部病毒感染中的作用。在病毒感染两周后，肺泡 DC-T 免疫中枢则又恢复了与生理状态类似的水平。最后，研究人员在人类肺组织样本和 COVID-19 患者尸检样本 scRNA-seq 公开数据集中验证了肺泡 DC-T 免疫中枢中的关键细胞亚群的存在，进一步证明了该发现在肺部免疫防御机制中的重要性。在第二篇文章中，研究人员进一步解析了所鉴定到的一群在肺部急性感染阶段由单核细胞衍生的 Slamf9+ 巨噬细胞新亚群的特征和功能。Slamf9+ 巨噬细胞有极高的病毒检出率，在感染期间保持活跃增殖，其与中性粒细胞的空间分布相关性从 d5 到 d7 显著增加。为了进一步鉴定巨噬细胞和中性粒细胞之间的相互作用，研究人员通过 CellChat 进行配体受体分析，发现 Slamf9+巨噬细胞可能通过 PECAM 途径、CCL 途径、CD80 途径、IL-10 途径等与不同的中性粒细胞亚群相互作用。根据 Stereo-seq 数据，还可以观察到代表性配体受体基因 Pecam1/Cd38、Ccl5/Ccr5、Ccl8/Ccr1、Cd80/Cd274 和 Il10/Il10ra+Il10rb 等的空间共表达，提示 Slamf9+ 巨噬细胞可能募集并与中性粒细胞相互作用以清除病毒。在流感病毒感染 C57BL/6 小鼠后第 5 天，从肺组织中分离出的 SLAMF9 hi 巨噬细胞的病毒载量明显高于 SLAMF9 lo 巨噬细胞，且 SLAMF9 hi 巨噬细胞表达更高水平的干扰素-β（Ifnb1），这进一步表明肺部的 Slamf9+ 巨噬细胞具有清除和抵抗病毒感染的潜在功能。
基于空间转录组数据，研究人员发现一群外周血来源的 Isg12+Cst7+ 中性粒细胞在空间上远离病毒基因，而其他类型的中性粒细细胞相对病毒基因的空间距离更近，这提示了 Isg12+Cst7+ 中性粒细胞可能具有清除周围病毒或病毒感染细胞的潜在功能。Isg12+Cst7+ 中性粒细胞还表达 Cd274 和 Il10rb，可能与活化的细胞毒性 T 细胞和 Slamf9+ 巨噬细胞相互作用，共同建立感染晚期炎症消退微环境。综上所述，该研究针对肺部免疫监视、病毒清除、炎症消退、组织修复的时空调控问题，应用免疫制图技术（immuniocartography）以新冠病毒感染的金黄地鼠为模型，在单细胞分辨率和全肺尺度揭示了肺部在生理条件下、病毒峰值期、病毒清除期、炎症消退期的免疫时空变化，揭示了肺部特殊的免疫微结构即由 DC-T 组成的免疫中枢及其在感染极早期发挥的关键作用，揭示了单核细胞来源的新型巨噬细胞亚群 Slamf9+ 巨噬细胞及其在病毒清除和炎症消退中的作用和潜在机制，揭示了 Cst7+ 中性粒细胞在病毒清除中的作用和潜在机制。相关发现对于认识肺部免疫稳态与免疫响应具有重要参考意义。
图 3.Slamf9+ 巨噬细胞的特征及与中性粒细胞的互作 [2]
在病毒清除后（d14），CellRank 分析表明 Slamf9+ 巨噬细胞可能分化为在 d14 的肺组织中特异性富集的 Trem2+ 和 Fbp1+ 巨噬细胞。TREM2 和 FBP1 的表达已知可调节巨噬细胞的代谢状态和功能，以缓解炎症和组织修复。RNA velocity 和 Monocle2 分析均表明了从 Trem2+ 和 Fbp1+ 肺泡巨噬细胞到组织驻留的 Cd36+ 肺泡巨噬细胞的时序变化，且伴随纤维化和炎症相关基因（Trem2、Spp1、C1qa、Fcgr2b、Tnf 等）的下调以及稳态相关基因（即 Marco、Cd36 等）的上调，提示了炎症消退和组织修复的特征。研究人员通过免疫荧光染色在 SARS-CoV-2 感染的 hACE2 小鼠的肺组织中验证了在感染晚期 TREM2+ 和 FBP1+ 巨噬细胞亚群的存在，并在人类 COVID-19 尸检 scRNA-seq 公开数据集中进一步进行了证实。总之，第一篇文章发现了由 Ccr7+Ido1+ 树突状细胞、Cd160+Cd8+ T 细胞和 Tnfrsf4+Cd4+ T 细胞在生理上共定位组成的肺泡 DC-T 免疫中枢。这些免疫中枢能够迅速对肺部感染做出响应，并在 Slamf9+ 巨噬细胞的帮助下实现病毒的清除。第二篇文章发现 Slamf9+ 巨噬细胞新亚群在感染期间能够募集并与中性粒细胞相互作用以协同清除病毒，并在感染晚期转化为 Trem2+ 和 Fbp1+ 肺泡巨噬细胞以促进炎症消退和组织损伤修复。这两项研究绘制了病毒感染前后多时间点的金黄地鼠肺组织的时空动态图谱，揭示了病毒感染过程中肺部免疫与炎症的细胞与分子基础，提示了在生理状态下，肺部 T 细胞可能与 DC 形成特殊生态位以共同发挥免疫监视的作用，在感染早期迅速招募、协调其他免疫细胞以响应病毒感染，揭示了在传统意义上的适应性免疫 T 细胞应答启动之前，T 细胞在感染免疫早期也具有抵御感染的重要功能，可作为发挥免疫监视功能的生态位的细胞基础以确保肺部对病毒感染的快速应答。此外，对 Slamf9+ 巨噬细胞新亚群的鉴定为精确理解肺组织损伤、病毒清除、炎症消退和免疫稳态的机制提供了新线索，对针对性开发肺部抗感染免疫疗法具有重要的意义。北京大学张泽民院士对该工作进行了特别点评 [3]，强调了肺部 DC-T 免疫中枢在感染与肿瘤中的关键作用。
图 4. 肺泡 DC-T 免疫中枢的组成和响应肺部感染的时空动态特征
（图源 Research Communities by Springer Nature）
原文链接：
[1] https://www.nature.com/articles/s41421-024-00734-4
[2] https://www.nature.com/articles/s41421-024-00733-5
[3] https://www.nature.com/articles/s41422-024-01036-w
本期编辑：Double