Cell Insight | 单细胞测序技术又一新发现，可用于HIV-1和Mtb共感染个体诊断
结核病是艾滋病合并其他疾病中导致患者死亡的主要原因。其中结核病由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）感染引起，获得性免疫缺陷综合症（艾滋病）由人免疫缺陷病毒（Human immunodeficiency virus type 1, HIV-1）感染引起。国家感染性疾病临床医学研究中心/深圳市第三人民医院张国良团队携手深圳华大生命科学研究院吴靓团队，共同研究得出单细胞测序技术可用于诊断 HIV-1 与 Mtb 共感染。此研究成果已于2022年1月发表在Cell Insight 上。该期刊是一本重点报道生物医学领域的最新科学与技术成果的开放获取双月刊，由全球著名学术机构的40余位著名学者担任编委。我们特邀请了文章共同第一作者、国家感染性疾病临床医学研究中心郭庆龙博士作了以下详细解读。
文章题目：Single-cell transcriptomic landscape identifies the expansion of peripheral blood monocytes as an indicator of HIV-1-TB co-infection
发表时间：2022-01-21
发表期刊：Cell Insight
主要研究团队：国家感染性疾病临床医学研究中心/深圳市第三人民医院张国良团队、深圳华大生命科学研究院吴靓团队
DOI：doi.org/10.1016/j.cellin.2022.100005
研究背景
获得性免疫缺陷综合症（艾滋病）由人免疫缺陷病毒（HIV-1）感染引起。结核病由结核分枝杆菌（Mtb）感染引起。艾滋病和结核病因其居高不下的发病率和死亡率，仍然威胁着全球人类的健康。HIV-1和Mtb共感染导致患者免疫功能进一步紊乱，大大增加了病患的死亡率。而且结核病是艾滋病合并其他疾病中导致患者死亡的主要原因。HIV-1和Mtb均可通过某些未被完全阐明的机制调控宿主免疫反应。在HIV-1和Mtb共感染情况下，HIV-1会对宿主抗结核免疫反应产生极大的影响，包括吞噬能力、抗原递呈、细胞因子的产生以及B细胞和T细胞功能等，使结核病更难被治愈。此外，Mtb感染能够促进HIV-1的复制并且加速艾滋病的发展进程。更好地描述HIV-1和Mtb共感染个体的免疫反应特征，将有助于发现新的基于免疫的方法来提高诊断效率以及减少病理性免疫。
研究方法
本次研究中，研究团队分别从HIV-1单独感染组(HIV-pre；艾滋病未治疗)，HIV-1和Mtb共感染未治疗组(HIV-pre & TB-pre；艾滋病与结核病均未治疗)和治疗两周组(HIV-pre & TB-pos；艾滋病未治疗，结核病治疗两周)分离外周血单核细胞(PBMCs)。然后利用华大自主研发的高通量单细胞平台DNBeLab C4 对PBMCs进行单细胞转录组文库制备并在华大自主的测序仪MGISEQ-T1上进行测序。最终共得到了大于60,000个单细胞的基因表达数据，共鉴定32个细胞亚群。
研究成果
1. HIV-pre, HIV-pre & TB-pre和HIV-pre & TB-pos组外周免疫特征图谱
从三组病人11名患者中共得到61,397 PBMCs，并进行单细胞测序分析。其中包括HIV-pre组5人(27,934 PBMCs), HIV-pre & TB-pre组3人(19,723 PBMCs)和HIV-pre & TB-pos组3人(9,435 PBMCs)。去除部分非单细胞（多细胞）和低质量细胞，共57,092 PBMCs单细胞数据用于进一步分析。健康对照组的PBMCs单细胞数据来源于公共数据库。通过无监督聚类分析，研究团队共鉴定了三个主要的细胞群，包括T细胞、髓系细胞和B细胞。
在健康人中，T细胞是PBMCs中的主要部分，其次是髓系细胞和B细胞。相比之下，研究团队发现在三组病人中，CD4 naïve T 细胞比例均减少，这与艾滋病人中CD4 T 细胞减少的情况相符。与健康组相比，三组病人中B细胞比例均减少，且在HIV-pre & TB-pos组中B细胞比例显著低于HIV-pre组。然而，与HIV-pre & TB-pos组和健康组比较，在HIV-pre组和HIV-pre & TB-pre组中CD8+ T细胞比例升高。此外，与健康组比较，在三组病人中处于细胞周期中的细胞，红细胞和浆细胞比例均升高。而且与健康组比较，HIV-pre组中处于细胞周期中的细胞和红细胞比例显著升高。总之，这些结果表明，在HIV-1和HIV-1与Mtb共感染疾病过程中，HIV-1和HIV-1与Mtb共感染引起了相关循环细胞亚群的调节异常，见图1。
图1 HIV-1和HIV-1与Mtb共感染引起了相关循环细胞亚群的调节异常
2.在HIV-pre & TB-pre组中CD14 Monocyte 髓系细胞亚群比例增加
CD14 Monocyte细胞亚群 CD14 Mono 高表达CD14 和FCGR3A。而且，该细胞亚群也高表达炎症markers，包括S100A8, S100A9,S100A12 和LYZ。这些炎症markers与疾病进程相关。研究团队发现，与HIV-pre组比较，在HIV-pre & TB-pre组中CD14 Mono 细胞亚群在整个PBMCs中比例显著升高。生物学过程富集分析发现，在HIV-pre组中，CD14 Mono细胞主要富集在响应病毒感染，病毒复制和I型干扰素信号通路，提示这些信号通路可能涉及被HIV-1感染的CD14 Mono细胞的激活和慢性免疫激活。在HIV-pre & TB-pre组中，CD14 Mono细胞主要富集在中性粒细胞激活和脱颗粒，抗原递呈和IFN-γ介导的信号通路，提示这些信号可能涉及细菌感染和后续的单核细胞招募、激活和炎症反应，见图2。
图2 在HIV-pre & TB-pre组中CD14 Monocyte 髓系细胞亚群比例增加
3. 单核细胞亚群比例能够显著区分HIV-1与Mtb共感染和HIV-1感染患者
研究中，研究团队使用另外一个队列（n = 80）验证单核细胞亚群在HIV-1感染 / HIV-1与Mtb共感染中的作用。与单细胞测序分析结果一致，研究团队的验证结果显示，与HIV-pre组比较，单核细胞比例在HIV-pre & TB-pre组中显著升高。进一步通过ROC(receiver-operating characteristic)曲线分析比较HIV-pre组和HIV-pre & TB-pre组后，发现单核细胞能够作为区分两组的潜在biomarker(area under the curve, 0.8046)。因此，单核细胞亚群是一个有效的biomarker，能够用于区分HIV-1与Mtb共感染和HIV-1感染，见图3。
图3 单核细胞亚群比例能够显著区分HIV-1与Mtb共感染
结论&展望
本文中，通过高通量单细胞平台DNBeLab C4 描述了HIV-1与Mtb共感染情况下外周免疫特征并且发现外周单核细胞亚群作为潜在区分诊断的biomarker，可用于诊断HIV-1与Mtb共感染。
国家感染性疾病临床医学研究中心/深圳市第三人民医院张国良主任医师和深圳华大生命科学研究院吴靓副研究员为文章的通讯作者。
国家感染性疾病临床医学研究中心郭庆龙博士和曹廷智主治医师、深圳华大生命科学研究院钟裕博士和王智锋博士同为文章的共同第一作者。
为解决单细胞规模化研究痛点，华大开发了高通量单细胞平台DNBelab C4，联合DNBSEQ超高通量测序平台，实现单次测序数据产出规模达百万级细胞，在大幅降低建库成本的同时实现全局性的组织细胞图谱，是当前可以实现高通量、低成本、一站式单细胞组学研究的全流程技术平台，在器官结构、发育、人类疾病、生命演化等领域全面发挥重要作用。DNBelab C4平台以独特的竞争力推动组学研究不断发展，未来也将助力更多高质量研究开展及文章发表。
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