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        盤點新型冠狀病毒相關研究中單細胞轉錄組技術的應用(一)


        原創 上海天昊生物 

        2019冠狀病毒?。?/span>COVID-19),由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2SARS-CoV-2)引起,據世界衛生組織統計,截至2021830日,已造成2.16億人感染,至少449萬人死亡。單細胞RNA測序(scRNA-seq)在解析免疫反應方面有強大的能力,已被廣泛應用于COVID-19的研究,現整理2021年以來部分重要研究中scRNA-seq相關內容供讀者閱讀參考:
         


         

        scRNA-seq揭示調控機制:巨噬細胞和T細胞之間的反饋環路


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        感染SARS-CoV-2的一些患者發生嚴重肺炎和急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)。這些患者的獨特的臨床特征使人們猜測,SARS-CoV-2感染的肺泡中對病毒的免疫反應不同于其他類型的肺炎。這項研究收集了88SARS-CoV-2致呼吸衰竭患者和211例已知或疑似其他病原體引起的肺炎患者的支氣管肺泡灌洗液樣本,并對其進行流式細胞術和bulk轉錄組分析。并對插管48小時內采集的10例重癥COVID-19患者支氣管肺泡灌洗液進行單細胞RNA測序。在大多數SARS-CoV-2感染患者中,肺泡腔持續富集T細胞和單核細胞。整體和單細胞轉錄組分析表明,SARS-CoV-2感染肺泡巨噬細胞,巨噬細胞反過來通過產生T細胞趨化因子做出反應。這些T細胞產生干擾素γ,誘導肺泡巨噬細胞釋放炎癥細胞因子,進一步促進T細胞活化??偟膩碚f,這項研究結果表明,SARS-CoV-2導致緩慢展開的空間有限的肺泡炎,其中肺泡巨噬細胞窩藏SARS-CoV-2T細胞形成一個正反饋環路,驅動持續的肺泡炎癥。

        大型單細胞免疫圖譜:新冠肺炎單細胞研究中國聯盟重大成果!


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        COVID-19患者的功能失調免疫反應是影響癥狀和死亡率的一個反復出現的主題,但對相關免疫細胞的詳細了解尚不完整。我國十多個省市四十多家醫院大學和研究機構在20205月自發組建了“新冠肺炎單細胞研究中國聯盟(Single Cell Consortium for COVID-19 in China (SC4))”,旨在協同建立新冠肺炎單細胞轉錄組大隊列大數據,為揭示新冠肺炎發病機制和免疫學特征發出中國的聲音。這項研究對196COVID-19患者和對照組的284個樣本(包括痰液、肺泡灌洗液、胸水、外周血等)進行了單細胞RNA測序,并利用146萬個細胞超過25T數據創建了一個全面的免疫圖譜。龐大的數據集使我們能夠確定不同的外周免疫亞型變化與不同的臨床特征相關,包括年齡、性別、嚴重程度和COVID-19的疾病分期。SARS-CoV-2 RNA存在于多種上皮細胞和免疫細胞中,并在病毒陽性細胞中出現顯著的轉錄組變化。S100A8/A9的系統性上調,主要是外周血巨核細胞和單核細胞中,可能是重癥患者中常見的細胞因子風暴的原因。這些數據為理解COVID-19的發病機制和制定有效的治療策略提供了豐富的資源。


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        疫苗研發與scRNA-seq:揭示疫苗保護下的細胞特征


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        為了完全控制SARS-CoV-2大流行,可能需要采取多種疫苗接種方法。這項研究證明了改良的安卡拉痘苗載體(MVA)表達膜錨定融合前穩定刺突(MVA/S),但不分泌S1在小鼠中誘導了對SARS-CoV-2的強烈中和抗體應答。在獼猴中,MVA/S疫苗誘導了強大的中和抗體和CD8+ T細胞應答,并在鼻內和氣管內挑戰后的第2天就對SARS-CoV-2感染和病毒在肺部復制提供了保護。感染后第4天肺細胞的單細胞RNA測序分析顯示,MVA/S疫苗也可以保護獼猴免受感染誘導的炎癥和B細胞異常,并降低干擾素刺激基因的誘導。這些結果表明,MVA/S疫苗在血液和肺中誘導中和抗體和CD8+ T細胞,是一種潛在的SARS-CoV-2疫苗候選。


         
        單細胞測序meta分析:不同組織樣本中病毒進入基因


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        血管緊張素轉換酶2ACE2)和輔助蛋白酶(TMPRSS2CTSL)是SARS-CoV-2細胞進入所必需的,它們的表達可能揭示病毒的嗜性和對全身的影響。通過107個來自不同組織的單細胞RNA測序研究,研究人員評估了ACE2、TMPRSS2CTSL的細胞類型特異性表達。ACE2、TMPRSS2CTSL在鼻腔、氣道和肺泡的呼吸道上皮細胞的特定亞群中以及與COVID-19傳播或病理相關的其他器官細胞中共同表達。另外對31項肺單細胞RNA測序研究進行了meta分析,包括來自228個個體的377例鼻腔、氣道和肺實質樣本中的1,320,896個細胞。這揭示了年齡、性別和吸煙與ACE2、TMPRSS2CTSL表達水平的細胞類型特異性關聯。進入因子的表達隨著年齡的增長及在男性中增加,包括在氣道分泌細胞和肺泡2型細胞中增加。ACE2+TMPRSS2+細胞在鼻、肺和腸道組織中共享的表達程序包括可能介導病毒進入、關鍵免疫功能和上皮巨噬細胞交互的基因,如參與白介素-6、白介素-1、腫瘤壞死因子和補體通路的基因。細胞類型特異性表達模式可能有助于COVID-19的發病機制,這項工作強調了治療干預的推斷分子通路。


         
        基因組篩選+單細胞驗證:發現關鍵宿主因子TMEM41B


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        COVID-19大流行造成了全球經濟和健康危機。為了確定冠狀病毒感染的宿主因素,研究人員對SARS-CoV-2和人冠狀病毒229E進行了全基因組功能遺傳篩選。這些篩選發現了病毒特異性以及共享的宿主因子,包括TMEM41BPI3K 3型。結果發現SARS-CoV-2需要溶酶體蛋白TMEM106B來感染人類細胞系和原代肺細胞。TMEM106B過表達增強了SARS-CoV-2感染和假病毒感染,提示其在病毒進入中起作用。此外,COVID-19患者氣道細胞的單細胞RNA測序顯示TMEM106B表達與SARS-CoV-2感染相關。目前的研究發現了一組冠狀病毒宿主因子,這些因子可能被用于開發對抗SARS-CoV-2感染或未來人畜共患病冠狀病毒暴發的藥物。
         


         

        縱向樣本單細胞轉錄組:髓細胞驅動肺炎癥特征


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        COVID-19的免疫反應動力學及其嚴重臨床表現已經在循環系統中進行了大量研究。這項研究通過對嚴重COVID-19患者配對氣道和血液樣本相對于健康對照組的縱向表型、轉錄組和細胞因子分析,研究了呼吸道免疫過程和循環之間的關系。在COVID-19呼吸道,T細胞表現出激活、組織駐留和保護特性;更高的T細胞頻率與生存和年輕有關。COVID-19氣道中的髓細胞具有高炎癥特征,這些細胞的較高頻率與死亡率和老年相關。COVID-19血液中,異常CD163+單核細胞占比高于常規單核細胞,并在相應的氣道樣本和受損肺泡中被發現。氣道中高水平的骨髓趨化因子表明這些細胞通過CCL2-CCR2趨化因子軸招募。這項發現為推動COVID-19肺病理的免疫過程提供了見解,并對靶向呼吸道炎癥的治療具有指導意義。


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        Bulk+單細胞轉錄組:發現了保守的保護性和有害基因模塊


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        病毒感染引起與細菌感染不同的保守宿主反應。作者假設保守反應與疾病嚴重程度有關,并且在不同結局的患者之間存在差異。為了驗證這一點,該研究整合了來自18個國家34個隊列的4,780090歲感染了16種病毒(包括SARS-CoV-2、埃博拉、基孔肯雅和流感)之一的患者的血液轉錄組譜,以及來自三個隊列的289個樣本的702,970個免疫細胞的單細胞RNA測序圖譜。嚴重的病毒感染與造血、骨髓和骨髓源性抑制細胞的增加有關。研究確定了保護性和有害的基因模塊,它們定義了與輕度和重度結果相關的不同軌跡。在預后嚴重的患者中,干擾素反應與保護性宿主反應脫鉤。無論年齡和病毒如何,這些發現都是一致的,并為加速診斷和宿主導向療法的開發提供了見解,以改進全球大流行的防范。


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        口腔樣本單細胞測序:揭示病毒感染口腔和唾液特征


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        盡管出現了包括味覺喪失、口腔干燥和潰瘍、膿皰和斑疹等粘膜病變在內的感染跡象,但人們對COVID-19涉及口腔的情況知之甚少。為了解決這個問題,研究人員生成并分析了人類小唾液腺和牙齦的兩個單細胞RNA測序數據集(9個樣本,13,824個細胞),識別出50個細胞簇。通過整合細胞歸一化和注釋,在腺體和牙齦之間劃分了34個獨特的細胞亞群。SARS-CoV-2病毒進入因子ACE2TMPRSS成員廣泛富集于腺體和口腔黏膜上皮細胞。通過正交RNA和蛋白表達評估,研究證實了SARS-CoV-2在腺體和粘膜感染。SARS-CoV-2感染個體的唾液含有表達ACE2TMPRSS的上皮細胞,并持續感染SARS-CoV-2。無癥狀個體的非細胞和細胞唾液部分被發現在體外傳播SARS-CoV-2。匹配的鼻咽部和唾液樣本顯示出獨特的病毒脫落動力學,唾液病毒負荷與COVID-19癥狀相關,包括味覺喪失。在康復后,該無癥狀隊列顯示持續唾液抗SARS-CoV-2 IgG抗體。


         
        單細胞+多組學:發現MIS-C免疫失調和自身反應與疾病程度相關


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        兒童多系統炎癥綜合征(MIS-C)是在輕微或無癥狀感染SARS-CoV-2數周后不可預測地發生的一種危及生命的感染后并發癥。該研究使用單細胞RNA測序、流式細胞術、抗原受體庫分析和無偏血清蛋白組學對MIS-C、成人COVID-19、健康兒童和成人進行了分析,這些分析共同確定了MIS-C患者與疾病嚴重程度相關的特征。盡管沒有活動性感染的證據,但MIS-C患者S100A家族警報素升高,抗原呈現特征降低,指示髓系功能障礙。MIS-C患者NKCD8+ T細胞細胞毒性基因表達升高,特異性表達IgG的漿母細胞擴增。臨床重度MIS-C患者表現為偏移的記憶T細胞TCR庫和以內皮反應性IgG為特征的自身免疫。研究定義的警報素、細胞毒性、TCR庫和漿母細胞特征在臨床上有應用的潛力,可以更好地診斷和預測MIS-C病程早期的疾病嚴重程度。

         

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