新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）導致的新冠肺炎（COVID-19）已經引發全球大暴發，嚴重危害人類生命健康。據統計，住院死亡病例中70%以上為年齡超過65歲的老年人。與年輕群體相比，老年群體感染SARS-CoV-2後更易發展為重症和危重症，甚至死亡。肺是SARS-CoV-2感染和損傷的主要靶器官，嚴重肺損傷導致呼吸衰竭是COVID-19患者主要死因。COVID-19肺和其他臟器損傷機制研究已經不乏報導，但是基於老年患者屍檢樣本的肺組織病理與肺單細胞資訊密切關聯的多重損傷分子機制研究尚缺乏，對於老年患者更易出現重症和危重症的細胞和分子基礎的認識遠遠不足。
2021年12月8日，中國科學院動物研究所劉光慧研究組和曲靜研究組、陸軍軍醫大學（第三軍醫大學）第一附屬醫院（西南醫院）卞修武研究組、中國科學院北京基因組研究所張維綺研究組合作，於Nature Cell Biology雜誌線上發表題為“A single-cell transcriptomic landscape of the lungs of patients with COVID-19”的研究論文。研究結合病理學和高通量單細胞核轉錄組和蛋白質組等科技，深度解析了老年COVID-19患者肺組織的細胞和分子病理錶型組特徵，進一步認識了COVID-19肺損傷的關鍵細胞和分子機制、建立了肺衰老與COVID-19損傷的科學聯系，為提高重症和危重症診治水准提供了科學依據。
通過對COVID-19患者肺病變及其異質性的詳細分析，研究人員發現肺兩種上皮細胞脫落和凋亡的升高、炎症損傷與免疫反應的過度、不同血管內皮細胞的變化、凝血功能紊亂以及細胞錶型轉化與肺纖維化的加劇等事件是COVID-19肺病理的關鍵損傷過程和分子特徵。進而，結合COVID-19患者肺組織的多元組學分析，研究人員首次發現肺組織的加速衰老是COVID-19的新型病理事件。具體而言，與年齡匹配的對照肺組織相比，老年COVID-19患者肺組織中的衰老標誌物（p16、p21、p53）、衰老相關分泌錶型因數（IL-6）、DNA氧化損傷標記物（8-OHdG）等均呈現上調表達，且核纖層蛋白（LAP2）和异染色質蛋白（HP1g）表現為加速缺失。這些均提示SARS-CoV-2感染可誘發肺組織細胞的加速衰老。為進一步明確細胞類型特异的基因表達變化，研究人員利用高精度單核轉錄組測序科技，系統揭示了包括肺部上皮細胞、內皮細胞、基質細胞和免疫細胞4種主要細胞大類，28種不同細胞類型的病理相關基因表達特徵。
對於肺上皮細胞而言，研究發現SARS-CoV-2感染導致上皮細胞凋亡和功能紊亂，主要表現為肺表面活性物質减少及粘液分泌增多，這可能與氣體交換障礙及肺部低氧血症密切相關。此外，研究人員鑒定了一類Ⅱ型肺泡上皮細胞（AT2）向Ⅰ型肺泡上皮細胞（AT1）分化過程中的過渡態細胞類型（AD.inter），其具有損傷相關暫態祖細胞（DATP）的特徵。這類細胞亞群在COVID-19肺組織中大量聚集，可能是介導COVID-19肺上皮細胞缺失及損傷加劇的原因之一。進一步，研究人員通過對免疫細胞亞群的分析發現，肺泡及肺間質中促炎性巨噬細胞（M1 alveolar macrophages，M1 interstitial macrophages）新增，這些細胞可能通過釋放大量的促炎細胞因數加重彌漫性肺泡損傷。針對於血管內皮細胞的分析結果顯示，SARS-CoV-2感染可能導致內皮損傷及凝血程式的啟動。此外，研究人員還發現COVID-19肺組織中富集了一群介於肺毛細血管內皮（Cap.EC.g）和肺泡氣體交換毛細血管內皮（Cap.EC.a）之間的毛細血管中間態細胞（Cap.EC.i），這些細胞高表達血管內皮炎症和損傷相關基因，可能介導了內皮細胞分化特徵的紊亂及COVID-19肺的內皮病變。此外，結合人肺成纖維細胞的研究模型，研究人員發現HIF-1A的啟動及FOXO3的表達沉默可能是成纖維細胞向肌成纖維細胞（介導肺纖維化的主要細胞類型）轉變的關鍵驅動因素。這些發現為COVID-19肺損傷的發生發展提供了新型生物標誌物和潜在干預靶標。
該研究報導了COVID-19患者肺組織的多元組學全景圖譜，系統解析了COVID-19患者肺組織中多種細胞類型的疾病變化規律，加深了人們對COVID-19患者肺組織多種結構病變和功能減損的認識。更為重要的是，研究首次鑒定了COVID-19患者肺的加速衰老錶型。考慮到衰老細胞累積對器官退行的驅動作用，該研究為SARS-CoV-2感染導致的老年人致死率新增及預後的多種後遺症提供了可能的解釋。此外，研究團隊前期發現維他命C（一種可延緩人幹細胞衰老的化合物）可抑制炎症因數誘導的新冠病毒受體蛋白ACE2的表達（Cell Research，2020），提示衰老幹預策略可能是減輕新冠肺炎器官損傷的潜在防治手段。該研究為闡明COVID-19發病機制以及老年群體中新冠肺炎高重症率的原因提供了重要線索，並為發展新冠肺炎及老年群體愈後後遺症的干預策略提供了新思路。
相關資料已上傳至衰老多組學資料庫Aging Atlas（https://bigd.big.ac.cn/aging/index）。
該研究由中國科學院動物研究所、陸軍軍醫大學（第三軍醫大學）第一附屬醫院、首都醫科大學宣武醫院、中國科學院北京基因組所（國家生物資訊中心）、中國醫學科學院老年醫學研究所等機構合作完成。陸軍軍醫大學第一附屬醫院卞修武院士、中國科學院動物研究所劉光慧研究員（leading contact）、中國科學院北京基因組研究所（國家生物資訊中心）張維綺研究員、中國科學院動物研究所曲靜研究員為共同通訊作者。中國科學院動物研究所王思副研究員（現為首都醫科大學宣武醫院研究員）、陸軍軍醫大學第一附屬醫院姚小紅副教授、中國科學院動物研究所馬帥副研究員、陸軍軍醫大學第一附屬醫院平軼芳教授、中國科學院北京基因組研究所（國家生物資訊中心）範豔玲助理研究員、中國科學院動物研究所孫淑慧助理研究員、中國科學院動物研究所宋默識研究員等合作者為共同第一作者。該項目獲得國家科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等項目的資助。
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https://www.nature.com/articles/s41556-021-00796-6.pdfhttps://www.nature.com/articles/s41556-021-00796-6.pdf
附圖：示意圖顯示該研究揭示的上皮細胞衰老、脫落、凋亡升高、過度炎症反應、凝血和纖維化加劇是COVID-19肺的主要病理錶型特徵，也是全身系統性免疫損傷的“發源地”和“主戰場”。