單細胞功能蛋白組學技術在COVID-19急性后遺癥研究中的應用

我們正在面對COVID-19的疫情，隨著疫情繼續流行，出現了更多關于COVID-19急性后遺癥（PASC）的病例。美國疾病控制與預防中心將PASC定義為人們在SARS-CoV-2感染后可能出現4周或更久的、持續的健康問題。PASC成為一種新的全球性危機。
 

據估計，約31%-69%的COVID-19患者患有PASC，其癥狀包括記憶喪失、胃腸道（GI）不適和疲勞、嗅覺喪失和呼吸短促。之前的研究表明，PASC也與患者急性疾病的嚴重程度有關，PASC可能與自身免疫因素有關。由于PASC的異質性和可能與之相關的各種因素的差異，迫切需要描述其生物學和免疫學基礎，以及檢測這些機制在整個感染和恢復過程中的變化。
 

為了更好地了解PASC，研究人員對309例COVID-19患者從最初診斷到康復（2-3個月后）進行了研究。并結合了臨床數據和患者報告的癥狀，從最初診斷到早期恢復進行了深度多組學、縱向調查研究，在最初診斷COVID-19時，找到了4個預測PASC的因素；對癥狀相關免疫特征的分析顯示，病人可以化分為四種類型，PASC因素之間的免疫關聯隨著時間的推移而減少，導致不同的恢復期免疫狀態。該研究結果最近發表在《Cell》雜志上一篇題為“Multiple Early Factors Anticipate Post-Acute COVID-19 Sequelae.”的文章。研究為理解“PASC”的異質性提供了一個框架，為探究導致PASC的生物學因素提供了豐富的資源，研究有助于監測、指導治療和預防COVID-19急性后遺癥。

單細胞蛋白組技術表征患者免疫細胞功能

作者對309例COVID-19患者的臨床數據結合電子病例進行研究，并以457位健康人作為對照。患者被分為三個階段：臨床診斷（T1）、急性疾病（急性、T2）和初始癥狀出現后2-3個月（恢復期、T3）。通過抽血，輔以鼻拭子和血漿測量，分析自身抗體、COVID特異性抗體、整體血漿蛋白質組學和代謝組學譜；從病人的血液樣品中分離了外周血單個核細胞（PBMC），進行了基因和蛋白層面的單細胞多組學表征（圖1）。
 

圖1：研究實驗設計

單細胞功能蛋白質組學揭示了不同細胞對持續炎癥的潛在影響

免疫失調可能與PASC有關；而且許多與嚴重急性COVID-19相關的免疫細胞表型仍在T3時不同程度上富集，并與PASC相關。根據病人的免疫學特征可以將病人分為四組，即Type1組，Type2組，intermediate組和naïve組（圖2）。
 

圖2：T3期病人分組

為了系統研究PASC與T3期病人免疫狀態的關系。在四組病人中，IsoPlexis的單細胞蛋白組學技術分析不同類型免疫細胞的功能，包括在疾病進展起重要作用的T細胞、單核細胞和NK細胞亞群，探究與恢復期患者的疾病嚴重程度存在相關性，證實了T細胞和單核細胞對于持續炎癥的影響。研究者從PBMC中分離T細胞、單核細胞、NK細胞等亞群。培養并刺激細胞產生細胞因子，使用IsoPlexis獲得性免疫和固有免疫芯片檢測分泌的細胞因子。數據直接端到端傳輸到IsoSpeak軟件分析熒光信號，計算細胞因子分泌細胞的數量、細胞因子的強度水平等，整體評價細胞的多功能強度指數（PSI），同時也可以給出單細胞水平的細胞因子圖譜信息（圖3）。結果表明，所有非naïve患者組在T3時表現出CD8+和CD4+T細胞多功能水平升高；與健康對照組相比，所有患者組均表現出較高的單核細胞多功能。這表明，在恢復期，所有患者組中都有不同程度的持續的、已啟動的免疫激活。

單細胞水平的功能蛋白質組學能夠提供一種獨特的評估方式，揭示了恢復期病人T細胞、單核細胞和NK細胞亞群與不同PASC內型以及疾病嚴重程度的關系。
 

圖3：不同組病人特定細胞亞群的多功能性和細胞因子差異

患者T1到T3免疫狀態-癥狀軌跡的預測顯示，即使在COVID-19診斷時，這表明患者可能在感染過程的早期傾向于其急性后狀態（圖2）。這反過來又表明，這些患者分組與T1時存在的某些PASC因素之間可能存在關系。進行統計學分析，顯示了PASC因素與細胞多功能、單細胞免疫表型、血漿蛋白質組學和代謝組學的關系及其相關性（圖4）。
 

圖4：不同的PASC因素與多組學檢測相關性

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參考文獻：

1. Su, Y., et al. “Multiple Early Factors Anticipate Post-Acute COVID-19 Sequelae.” Cell (2022), doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.01.014.