陈捷凯/邓西龙/陈新文合作揭示新冠病毒感染导致急性呼吸窘迫症细胞机理

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新冠病毒严重威胁人类生命健康安全，截止目前已经造成全球1300多万人被感染，超过57万人死亡。肺是新冠病毒感染的主要器官，目前大部分新冠病人（COVID-19）的直接死因是缘由呼吸衰竭导致的急性呼吸窘迫症(ARDS)。ARDS是新冠危重症患者的主要病症，同时病程极长，导致重症监护室（ICU）资源急剧耗尽，因此，新冠危重症的ARDS病理机制研究对于有效应对疫情具有重要意义。

2020年7月16日，中科院广州生物医药与健康研究院-生物岛实验室陈捷凯研究员，广州市第八人民医院重症医学科邓西龙主任，中科院广州生物医药与健康研究院陈新文研究员合作在Protein & Cell杂志上发表文章“Single-cell analysis reveals bronchoalveolar epithelial dysfunction in COVID-19 patients” ，通过对新冠病人肺泡灌洗液进行单细胞转录组测序（scRNA-seq），揭示了肺上皮细胞在新冠病理条件下过度分泌粘液及粘液清除异常的细胞病理变化，对理解新冠特异的长病程危重症发生机制及治疗提供了重要思路。

肺主要是由数以百万计的肺泡组成，肺泡是基本的呼吸单元，其表面附着大量毛细血管，机体通过毛细血管和肺泡膜完成气体交换，不同肺泡之间通过支气管互相连接，最后连接气管再到口/鼻，这就是完整的呼吸管道。临床检测及尸检结果表明【1】，重症新冠病人肺部产生大量流动性极差的粘液，这些粘液会堵塞支气管甚至肺泡，使正常呼吸气体交换受阻，是造成新冠危重症ARDS的重要原因之一。正常生理情况下，支气管粘液分泌对人体是有利的，它们能够吸附我们吸入的空气中的灰尘、病原体等有害物质，同时在纤毛细胞的帮助下（通过纤毛摆动）将粘液清理排出体外（即痰液）。但病理情况下，粘液分泌过多可造成堵塞气管、影响正常呼吸，并且可促进炎症，加剧病毒感染及肺损伤。目前，新冠病人粘液的产生和阻塞小气道的机制并不清楚，因此，了解新冠病人粘液产生的来源及原因将对临床治疗具有重要的指导意义。

基于上述关键问题，合作团队通过scRNA-seq，比较新冠危重症病人相比于健康人肺部细胞发生的病理变化。分析发现：黏蛋白家族中的Gel-forming黏蛋白相关基因MUC5AC和MUC5B等在在病人中显著高表达，同时主要来源于一种称为Club的上皮细胞，说明新冠病人粘液主要来源于肺Club细胞。除黏蛋白之外，Trefoil因子TFF3和转谷氨酰胺酶TG2也显著上升，这些因素都能促进黏蛋白相互之间的交联和共价键形成，提高粘液粘度。研究者们同时发现病毒感染后，调控纤毛生成及结构相关基因如FOXJ1, RFX3, IFT27, DNAI2等表达显著下降，同时，ATP合酶基因表达显著升高，之前的研究表明，ATP刺激能够导致粘液分泌上调数千倍。上述结果表明病毒感染后导致Club细胞粘液过度分泌，同时纤毛活性下降，这一系列的上皮细胞调控失常就导致了分泌过多的粘液在肺部过度堆积，直至最后堵塞了肺内部的小气道，导致呼吸衰竭。机理上，研究人员发现：病毒感染后，肺泡巨噬细胞会分泌细胞因子CCL2，这可能招募单核/中心粒细胞到受感染的区域从而被激活；数据显示肺部存在被激活的单核/中心粒细胞，并分泌促炎因子IL-1β以及其他细胞因子如CXCL8、CCL3/4等，其中IL-1β具备刺激Club细胞导致粘液过度分泌的能力【2】，提示IL-1β可能是新冠治疗潜在的药物靶点之一。值得一提的是，在本研究审稿期间，发表于国际医学期刊《Lancet Rheumatol》上一项回顾性研究发现，针对COVID-19病人使用IL-1β拮抗剂治疗，72%的病人的病情得到了明显好转【3】。

据悉，中科院广州生物医药与健康研究院-生物岛实验室陈捷凯研究员，广州市第八人民医院重症医学科邓西龙主任，中科院广州生物医药与健康研究院陈新文研究员为共同通讯作者。生物岛实验室何江平博士、蔡宝美，广州市第八人民医院蔡水江，中国科学院广州生物医药与健康研究院冯辉坚、林立惠为共同第一作者，研究得到广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室赵金存研究员的大力协助，并在研究过程中受到钟南山院士的指导。