Science-斯坦福借助Olink技术发现不同临床严重度的新冠病毒感染患者存在免疫系统应答差异

转自Olink Proteomics

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新型冠状病毒感染（COVID-19）通常表现出一系列临床症状，大多数患者表现出轻度至中度症状，但15％的患者通常在一周内进展为需要住院的严重感染性疾病，会表现出促炎细胞因子水平升高（细胞因子风暴），少数住院患者会出现急性呼吸系统综合症（ARDS），需要机械通气。然而，造成这种临床严重性差异的根本原因尚不清楚。

近期，来自美国斯坦福大学医学院免疫、移植和感染研究所的Bali研究团队与来自香港大学李嘉诚医学院公共卫生学院的研究团队共同在顶级学术期刊《Science》上发表了题为《Systems biological assessment of immunity to mild versus severe COVID-19 infection in humans》的研究文章。我们Olink China的新冠研究系列本期将为大家一起解读该项工作的重要发现。


概述：Bali研究团队基于系统生物学方法分析了来自香港和美国佐治亚州亚特兰大的76名COVID-19患者和69名健康个体的免疫应答。
作者观察到在COVID-19患者的外周血单核细胞（PBMC）中，髓样细胞中人类白细胞抗原类DR（HLA-DR）和CD86的表达受损，促炎细胞因子的表达以及浆细胞样树突状细胞中雷帕霉素（mTOR）信号传导和干扰素α（IFN-α）产生均受到抑制。
单细胞转录组学也显示严重COVID-19患者的髓样细胞中HLA-DR基因，I型IFN基因，以及IFN刺激基因的转录受抑制，且与血浆PBMC转录组学和血浆中低IFN-α水平结果保持一致。相反，COVID-19患者血浆中可检测到炎症因子（包括EN-RAGE，TNFSF14和OSM）的水平升高，且与疾病的严重程度及血浆中细菌含量的增加有关。
这些结果表明，COVID-19感染可能诱导了一种独特的炎症程序，其特征是从组织（很可能是肺）释放炎性因子EN-RAGE，TNFSF14和OSM，并抑制了外周血中的先天免疫系统。
该研究揭示了COVID-19与人体免疫系统的相互作用，并为开发新治疗策略提供了潜在治疗靶标。

研究方案：在这项研究中，作者采用了系统生物学方法,包括白细胞质谱流式分析（Mass Cytometry）及单细胞转录组学分析（10X Genomics scRNA-Seq），外周血单核细胞（PBMC）转录组学分析（RNAseq)以及血浆细胞因子多重分析(Olink炎症因子panel，可一次性分析92种细胞和趋化因子)等技术系统性地分析了来自香港和美国佐治亚州亚特兰大的76名不同临床严重性的COVID-19患者和69名健康个体的免疫应答。
Olink部分结果解析：

     作者使用Olink炎症因子panel评估了入组人群血浆样本中92种不同的细胞因子和趋化因子水平。其中共检测到71种因子在测定的动态范围内，包括IL-6，MCP-3和CXCL10在内的43种细胞因子在COVID-19感染中存在显著上调（图1）。这些结果表明，尽管血液髓样细胞和pDC中的细胞因子反应受损，但炎症分子的血浆水平仍显着上调，这提示血浆中这些细胞因子可能来源于组织而非白细胞。

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图1 基于olink技术对COVID-19患者血浆中细胞因子进行92重分析
除了已报道的IL-6和其他细胞因子外，该研究通过Olink技术还检测到三种未曾报道过，在COVID-19感染中显着增强并与临床严重程度密切相关的蛋白质（图2）。它们是TNFSF14（一种在人肺成纤维细胞中高表达并与肺组织纤维化，重塑和炎症有关的淋巴毒素B受体的配体），EN-RAGE（S100A12，与肺损伤有关的生物标志物，败血症诱导的ARDS的发病机理）和抑瘤素M （OSM，IL-6的调节剂）。值得注意的是，TNFSF14在COVID-19感染患者血浆中存在显着升高，但在其他相关的肺部感染（例如流感（flu）病毒和呼吸道合胞病毒（RSV））中则没有明显增强，表明其可能是新冠病毒独有的作用靶点。

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图2.在COVID-19感染中显着增强并与临床严重程度密切相关的蛋白质
鉴于新发现的TNFSF14，EN-RAGE和OSM血浆浓度升高并与新冠感染疾病严重程度的具有明显相关性，作者使用了酶联免疫吸附测定（ELISA）来独立验证这些结果。并确认ELISA结果与Olink分析结果一致，在重症监护病房（ICU）COVID-19患者的血浆中发现了这些炎症介质的大量增加。此外，作者还发现Olink的92多重分析与ELISA单个蛋白检测结果之间存在显著相关性（一致性>0.9)（图3）。这些结果表明，COVID-19感染可能诱导了一种独特的炎症程序，其特征是从组织（很可能是肺）释放某些细胞因子，并抑制了外周血中的先天免疫系统。

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图3.Olink的92多重分析与ELISA单个蛋白检测结果之间存在显著相关性
Reference:Arunachalam P S, Wimmers F, Mok C K P, et al. Systems biological assessment of immunity to mild versus severe COVID-19 infection in humans[J]. Science, 2020, 369(6508): 1210-1220.
https://science.sciencemag.org/content/369/6508/1210
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