单细胞测序技术在感染性疾病研究中的应用
简介
在过去十年的发展中，单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术在生命科学和生物医学研究中的应用日益增加，大大增加了我们对免疫学、肿瘤学和发育生物学中细胞异质性的了解。今天我们主要讨论一下scRNA-seq技术在感染性疾病研究中的应用，以及其广阔的前景。
一、助力免疫图谱研究
- 识别新型免疫细胞亚型
当面对各种传染性病原体时，异种免疫细胞会参与各种重要的生物学过程，例如病原体识别、杀死和抗原呈递。新型免疫细胞亚群的鉴定以及在感染过程中对其分子特征、动力学和功能的理解将极大地促进我们对感染性疾病机制和后续治疗策略的了解。
例如，Gierahn等人利用scRNA-seq技术，从结核病患者中鉴定出三个肺巨噬细胞亚群，与细胞生长、细胞代谢和缺氧有关的基因水平在不同的亚型中有所不同。肺巨噬细胞免疫状态的变化表明，它们在结核病患者中起源不同或适应不同的微环境。
- 感染期间分析免疫细胞的情况
对免疫细胞的概况进行分析可以表征生理和感染状况之间的总体免疫细胞组成，这为了解感染性疾病的致病机理提供了关键信息。例如，scRNA-seq分析将HIV-1包膜疫苗接种的新生猴和成年猴的外周血单核细胞，它进一步证明（图2B），在新生猴子中发现活化的B细胞比率显着增加，表明在HIV感染期间，新生免疫系统比成年猴子产生更强的保护性反应。这一结果也表明，活化的B细胞的扩增可能在控制HIV感染中起着至关重要的作用。
图2. 免疫图谱研究。(A)识别新的免疫细胞亚型；(B)感染过程中免疫细胞情况的检测；(C)检测炎症反应的变化；(D)确定感染期间差异表达基因的免疫信号通路。
- 检测炎症反应的变化
炎性因子主要由受到刺激的免疫细胞分泌，可调节先天性和适应性免疫反应、募集免疫细胞等。感染后监测炎症反应的变化并确定关键的炎性因子对于了解感染的程度、疾病发病机理以及开发新的治疗策略具有重要作用。
利用scRNA-seq技术，Zhang等人在被IAV感染的小鼠的肺中发现了各种炎症因子的变化（图2C）。感染后的前3天到第7天时，主要促炎症因子发生了巨大变化。这些研究表明，scRNA-seq技术的应用可以促进研究感染过程中炎症因子分泌的变化，揭示重要的细胞和分子致病机理。
- 识别感染期间差异表达基因的免疫信号通路
在一项旨在了解B细胞针对流感疫苗的免疫力的研究中，已证明一部分外周记忆B细胞被疫苗激活，而其他记忆B细胞则保持失活。在活化和失活的记忆B细胞之间发现了172个基因的表达差异，揭示了与宿主抵抗流感病毒的防御有关的信号通路（图2D）。
因此，scRNA-seq能够识别与整个感染过程中宿主基因表达差异相对应的免疫途径。这将加深我们对在整个感染过程中发生的免疫过程的了解，并有助于为处于不同感染阶段的患者开发治疗药物。
二、研究宿主-病原体相互作用
- 识别易感细胞类型
对于特定的病原体，易感细胞的鉴定对于理解其致病机制至关重要。例如，使用scRNA-seq和聚类分析，Steuerman等人从野生型和感染流感病毒的Irf7基因敲除小鼠的肺中分离出的CD45 +和CD45-细胞中，鉴定出5种免疫细胞和4种非免疫细胞。进一步的分析表明，上皮细胞中病毒mRNA的含量明显高于其他细胞类型（图3A）。较高的病毒载量表明病毒在上皮细胞之间定殖和传播的可能性更大。
图3. 研究寄主与病原菌的相互作用。(A)识别易感细胞类型；(B)研究感染动力学。
- 研究感染动态
研究感染的动态，其重点在于病原体如何在体内增殖和传播，以及它们如何与发病机理联系。这些研究可能会促进针对不同感染过程的患者开发个性化疗法，这将有助于分级诊断和治疗并缩短治疗时间。
例如，Romas等人，在感染初期，以scRNA-seq技术分析了IAV与呼吸道上皮细胞之间相互作用的动力学，发现感染宿主细胞的病毒的感染复数（MOI）对宿主固有免疫有很大影响。较高的MOI会导致细胞内病毒mRNA增加（图3B），并对先天免疫应答产生更强的拮抗作用，例如抑制IFN的产生。还发现低剂量病毒感染引起的早期先天免疫应答对旁观者细胞具有保护作用，这可能阻止病毒的进一步传播。
三、 研究学习免疫库
免疫库是指在任何给定时间具有不同抗原特异性的所有B细胞和T细胞。它在鉴定有效的中和抗体和测试疫苗接种的有效性方面具有重要的应用。Xie的研究小组使用scRNA-seq和B细胞受体（BCR）测序从COVID-19的康复期患者血浆中富集抗原的B细胞测序，并回收了14种高活性病毒中和抗体。体内研究证实，一种中和抗体BD368-2具有强大的治疗潜力。
scRNA-seq也可用于监测感染后的T细胞反应或测试疫苗接种的功效。因此，scRNA-seq与BCR / TCR测序相结合，可以为针对感染的适应性免疫反应提供重要见识，并加速中和抗体和特定疫苗的开发。这对于预防新发或大流行性感染性疾病至关重要。
四、 感染性疾病生物标志物的发现
生物标志物是指在某些生物过程中发生的强烈生化或细胞变化，已广泛应用于疾病诊断和生物医学研究。当前，用于感染性疾病的具体生物标记物是有限的，并且仍然需要进一步的探索。scRNA-seq极大地促进了疾病相关生物标志物的鉴定。
例如，Zanini等对登革热患者的PBMC进行了scRNA-seq检测，发现在严重的登革热疾病发生之前，B细胞中的MX2表达以及CD14 +、 CD16 +单核细胞中的CD163和IFIT1表达均显着上调。这些上调的基因可用作将来预测登革热疾病进展的生物标志物。
展望
由于大部分通过批量RNA-seq所获得的信息也可以通过scRNA-seq来获得，因此scRNA-seq在解决系统性复杂生物学和临床问题方面显示出巨大优势，并且通过将scRNA-seq和多组学分析相结合，可以快速系统地阐明各种感染性疾病的致病机制。其成本效率的不断提高也将鼓励其在各学科中的更多应用。
随着单细胞测序技术的迅速发展和推广运用，接下来肯定会有大量的高质量研究出炉，想搭上这艘快船的小伙伴们不要错过机会哦，抓紧联系我们吧。
文章来源：
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.
