COVID-19病理学的新细胞图谱揭示了冠状病毒如何在肺部造成严重破坏
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对COVID-19患者尸检样本的单细胞分析显示了肺部如何反复尝试自我修复，但都失败了。
来自几家医院和研究中心的科学家已经展示了死于 COVID-19 的患者的单个细胞中发生的情况。在《 自然》杂志上发表的一项研究中，研究人员描述了来自多个器官的受感染细胞如何表现出一系列分子和基因组变化。他们还看到肺部多次尝试自我修复以应对呼吸衰竭的迹象，但呼吸衰竭是 COVID-19 患者死亡的主要原因。
“当你看到这个结果时，你真的会感受到这种疾病的悲剧，”该研究的共同高级作者、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的核心研究所成员 Aviv Regev 在研究开始时说。“肺会尽其所能地尝试一切，但它仍然无法自行修复。这是一个非常情绪化的研究。我们感谢同意为 COVID-19 研究捐赠组织以帮助促进对这种毁灭性疾病的了解的患者和家属。”
研究人员研究了 17 名死于 COVID-19 并在贝斯以色列女执事医疗中心、布莱根妇女医院和马萨诸塞州总医院接受治疗的人的尸体解剖获得的组织。
研究人员分析了已故 COVID-19 患者的肺组织，并放大了关键区域和感兴趣的结构。学分：Domenic Abbondanza
该团队研究了SARS-CoV-2病毒如何干扰细胞功能及其基因程序。他们使用来自 11 个器官系统（包括肺、心脏、肝脏和肾脏）的组织样本的单细胞RNA测序数据，构建了一个包含数十万个单独细胞的综合“细胞图谱”，展示了 COVID-19 如何领导导致器官衰竭和死亡。
“我们知道人们正在死于与 COVID 相关的肺炎和肺外并发症，”Broad 的副成员、麻省总医院的首席研究员、哈佛医学院的医学助理教授和合作伙伴 Alexandra-Chloé Villani 说。该研究的资深作者。“在这项研究之前，我们对导致患者死亡的细胞和分子机制了解有限。”
该研究详细介绍了来自布罗德研究所、麻省总医院、麻省理工学院拉贡研究所、麻省理工学院和哈佛大学、麻省理工学院、贝丝以色列女执事医疗中心、布莱根妇女医院、哥伦比亚大学欧文医疗中心和其他机构的研究人员合作的结果. 由哥伦比亚大学的合作者领导的一个团队共同撰写了一项配套研究，该研究也发表在 《自然》杂志上。
该团队的 细胞图谱可免费公开 供其他科学家探索。他们还从尸检样本中创建了一个包含 420 个样本的生物库，可用于其他 COVID-19 研究。“我们为其他研究人员在未来提出具体问题创建了基础资源，”研究开始时，共同资深作者、研究所科学家、Broad 克拉曼细胞天文台科学主任 Orit Rozenblatt-Rosen 说. “希望我们的研究结果能让人们找到更好的 COVID-19 疗法。”
新型病毒的新技术
为了了解由 COVID-19 引起的器官衰竭的细胞机制，研究人员知道他们需要研究器官本身。为此，他们需要尸检样本。
在正常情况下，处理尸检样本具有挑战性。为了处理可能携带新型、高度传染性病原体的样本，研究人员开发了符合生物安全 3 级实验室要求的新组织收集和处理协议。
“我们希望确保我们可以尽可能多地学习和分享，以帮助防止未来的死亡，同时优先考虑所有相关人员的安全和福祉。考虑到与 COVID 相关的限制和所有周围的不确定性，这可不是一件小事。令人惊讶的是，来自多个研究所的数十名科学家和医学专业人士齐聚一堂，形成合作伙伴关系，精心设计和协调我们的实验和计算工作，”研究所成员和共同资深作者 Alex K. Shalek 说，他也是成员Ragon 研究所研究员，化学副教授，医学工程与科学研究所核心成员，麻省理工科赫综合癌症研究所校外成员。
然后，该团队分析了来自单个细胞的 RNA，并开发了新方法来分析和注释大量序列数据。他们比较了来自不同细胞的基因表达特征：来自 COVID-19 患者的 COVID-19 损伤细胞和未感染细胞，以及来自其他疾病患者和健康个体的细胞。
肺部破坏
最广泛的发现来自肺部。科学家们对他们在那里发现的基因程序变化的程度感到震惊。“病毒在肺部造成严重破坏，我们在细胞中看到了它，”Regev 说。
COVID-19 肺损伤的一个主要原因是 AT1 细胞的破坏，使呼吸和气体转移成为可能。科学家们发现，随着 AT1 细胞死亡，称为 AT2 的相关肺细胞试图通过称为转分化的过程将自己转化为 AT1 细胞。但是这种尝试在中途停止了，使细胞处于中间状态，这在患有其他肺部疾病（如肺纤维化）的患者中很常见。
在自我修复的最后一次尝试中，肺部试图将气道中较高位置的细胞（称为肺内基底样祖细胞）转变为 AT1 细胞。这种转分化尝试以前只在小鼠模型中看到过。
研究结果表明，患者的肺衰竭是由于肺细胞在细胞试图再生时无法超过病毒造成的损害。
改变程序
该论文还描述了病毒如何影响肺部以外的其他组织。一个令人惊讶的发现是，虽然心脏遭受了严重的损伤，并且在许多不同的细胞类型中显示出基因程序发生改变的证据，但心脏组织本身中的病毒 RNA 却非常少。Regev 说：“这是否意味着病毒已经被清除，或者心脏是附带损害，这是一个有待进一步研究的领域。”
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研究人员还研究了先前全基因组关联研究与严重 COVID-19 相关的 27 个不同基因。他们将注意力集中在少数在新研究中的关键细胞类型中高度表达的细胞上，特别是在受感染的肺部。这一发现有助于缩小严重疾病的潜在遗传因素列表，并突出可能与严重 COVID-19 最相关的细胞类型。
该团队现在计划完成对大脑、脾脏和气管等其他尸检组织的分析，以绘制更完整的 COVID-19 病理学图景，并为未来的研究提供资源。