《Nature Immunology》重磅！单细胞多组学全景解析脓毒症免疫异质性：发现-验证双重突破

近日，国际顶级免疫学期刊《Nature Immunology》发表了一篇题为“Single-cell multi-omic landscape reveals anatomical-specific immune features in adult and pediatric sepsis”的重要研究。

该研究由重庆医科大学附属第一医院检验科曹炬教授团队、重症医学科徐昉教授团队合作完成，首次通过单细胞多组学整合分析，系统描绘了不同感染部位来源（腹腔、肺部、泌尿、皮肤、中枢神经系统）的成人与儿童脓毒症患者的免疫细胞图谱。该研究不仅发现了解剖位点特异和年龄特异的关键免疫亚群，同时创新地构建多重独立验证体系拓展核心发现，为脓毒症的精准分型与靶向治疗提供了全新框架。

烈冰生物为该项研究提供了单细胞多组学测序及数据分析服务。

多组学火力全开：发现队列的核心突破

研究团队对255名成人和26名儿童组成的前瞻性队列完成了单细胞转录组、scVDJ-seq、CITE-seq表面蛋白标记、Bulk RNA-seq转录组以及OLINK血浆蛋白质组学分析，共获得738,002个高质量单细胞，覆盖T细胞、B细胞、髓系、NK等主要免疫谱系。

T细胞：NR4A2驱动耗竭，CCL4hi细胞驱动炎症

单细胞转录组发现，腹/肺/皮肤脓毒症中富集一个独特的NR4A2+ CD4⁺ T细胞亚群，表现出耗竭特征，与不良预后相关。

CITE-seq验证：该亚群表面抑制性受体PD-L1、TIM-3表达显著上调，而共刺激分子CD28、ICOS明显下降，证实功能耗竭。

VDJ分析：该亚群在脓毒症中呈现寡克隆扩增，偏好使用TRAV29/DV5-TRBV7-9基因组合，TCR多样性显著降低。

同时，CCL4hi CD8⁺ T细胞亚群在腹肺脓毒症中特异性扩增，该细胞同时高表达细胞毒性因子（GNLY）和促炎因子（CCL4、CCL3、TNF）。

B细胞：浆细胞扩增与抗体类型转换

研究鉴定了7个B细胞亚群，发现：

·浆母细胞和浆细胞在脓毒症中显著扩增，其标志基因高表达与预后不良直接相关；

·传统记忆B细胞比例下降，尤其见于腹腔感染。

BCR测序揭示，脓毒症中IgM型浆细胞占据主导，而IgD型在呼吸道和皮肤感染中更常见。IGHV基因使用分析发现，不同感染来源存在特异性偏好：呼吸道感染倾向IGHV1-8，中枢感染偏好IGHV1-69D，皮肤感染则多用IGHV3-43。

单细胞数据还显示B_c03-TCL1A-TNF亚群在多个感染来源中增加，并显著富集AP-1炎症通路，CITE-seq证实其表面激活标志物表达上调。

单核细胞：功能特化与代谢重编程

研究对占单核细胞75.9%的CD14⁺CD16⁻经典单核细胞进行细分，发现5个功能各异的亚群：

代谢通路分析发现，不同单核亚群具有特异性代谢偏好，如炎症型单核细胞显著富集烟酸/烟酰胺代谢途径，关键酶NAMPT表达上调。

血浆蛋白质组：共享与特异的炎症模式

通过Olink炎症蛋白芯片分析92种炎症相关蛋白，研究发现：

普遍上调蛋白（13种）：

· IL-6、EN-RAGE在所有脓毒症亚型中均显著升高，可作为核心炎症标志物；

· IL-17C、OSM、CCL23、IL-20等在不同来源感染中一致性上调。

解剖位点特异性模式：

· 腹/肺感染：CCL3、CCL4、TNF显著升高，与单细胞发现的炎症亚群特征一致；

· 尿路感染：uPA、CXCL11、IL-20RA、CD5特异性上调；

· 腹腔感染：CCL25特异性下调。

普遍下调蛋白：TRAIL、SCF、TRANCE等在各类脓毒症中一致性降低。

三重验证体系：结论扎实，普适性强

验证一：跨疾病公共数据集验证

整合11个公共scRNA-seq数据集，覆盖169万细胞，证明本研究发现的关键亚群具有跨疾病意义：

·T_CD4_c02-GPR183-NR4A2在脓毒症、COVID-19疫苗接种后、登革热感染中均富集；

·T_CD8_c05-GNLY-CCL4hi在脓毒症、COVID-19（轻/中/重度）、登革热感染中普遍上调；

·Mono_c03-RETN在脓毒症和COVID-19中扩增。

结论：这些亚群并非脓毒症特有，而是免疫激活与高炎症状态的共同应答单元。

验证二：转录组去卷积与内型关联

使用本研究的单细胞数据为参考，对已发表的MARS队列等芯片转录组数据进行去卷积分析：

·T_CD4_c02-GPR183-NR4A2与免疫抑制型MARS1内型高度相关；

· 促炎亚群（如T_CD8_c05-GNLY-CCL4hi）与高炎症型MARS2内型相关；

· 腹/皮肤源脓毒症更偏向MARS1内型。

结论：将细胞亚群发现与临床已知的分子分型直接挂钩，提升临床转化价值。

验证三：独立队列湿实验验证

构建包含122名成人、42名儿童的独立验证队列，采用多种实验技术进行验证：

流式细胞术验证：

·成功在蛋白水平检测到所有关键免疫亚群；

·腹肺源性脓毒症中，耗竭和炎症性T细胞扩增最显著；

·儿童特异性MKI67+单核细胞仅在儿科肺源性脓毒症中被确认。

功能实验验证：

· 患者来源的CD8⁺ T、NK、NKT细胞经刺激后，CCL3、CCL4、TNF、IFN-γ的基因表达和蛋白分泌均显著升高；

·证实这些细胞确实具有强效促炎功能。

动物模型验证：

·CD4⁺ T细胞特异性敲除Nr4a2可显著改善脓毒症小鼠生存率，降低炎症反应；

·过表达Nr4a2则加重病情，确证其关键调控作用。

本研究通过发现→验证的完整科研闭环，首次系统阐明：

1. 脓毒症免疫应答具有“解剖位点特异性”，腹/肺感染倾向于高炎症应答，而尿路感染则呈现不同的免疫调控模式。

2. NR4A2是CD4⁺ T细胞耗竭的关键调控节点，是极具潜力的免疫治疗新靶点。

3. 儿童脓毒症存在与成人不同的紧急动员性单核细胞亚群，提示儿科免疫治疗需区别对待。

4.多组学整合分析为脓毒症的精准免疫分型、预后评估及个体化治疗提供了可靠的数据基础和理论框架。

该研究标志着脓毒症免疫研究进入“单细胞+多组学+功能”的新时代，为未来开发感染部位与年龄特异的精准免疫疗法奠定了坚实基础。

原文信息：

Ye Q, Lai X, Liu Y, et al. Single-cell multi-omic landscape reveals anatomical-specific immune features in adult and pediatric sepsis. Nat Immunol. 2025.