新型冠状病毒（SARS-CoV-2）导致的新冠肺炎（COVID-19）已经引发全球大暴发，严重危害人类生命健康。据统计，住院死亡病例中70%以上为年龄超过65岁的老年人。与年轻群体相比，老年群体感染SARS-CoV-2后更易发展为重症和危重症，甚至死亡。肺是SARS-CoV-2感染和损伤的主要靶器官，严重肺损伤导致呼吸衰竭是COVID-19患者主要死因。COVID-19肺和其他脏器损伤机制研究已经不乏报道，但是基于老年患者尸检样本的肺组织病理与肺单细胞信息密切关联的多重损伤分子机制研究尚缺乏，对于老年患者更易出现重症和危重症的细胞和分子基础的认识远远不足。

2021年12月8日，中国科学院动物研究所刘光慧研究组和曲静研究组、陆军军医大学（第三军医大学）第一附属医院（西南医院）卞修武研究组、中国科学院北京基因组研究所张维绮研究组合作，于Nature Cell Biology杂志在线发表题为“A single-cell transcriptomic landscape of the lungs of patients with COVID-19”的研究论文。研究结合病理学和高通量单细胞核转录组和蛋白质组等技术，深度解析了老年COVID-19患者肺组织的细胞和分子病理表型组特征，进一步认识了COVID-19肺损伤的关键细胞和分子机制、建立了肺衰老与COVID-19损伤的科学联系，为提高重症和危重症诊治水平提供了科学依据。

通过对COVID-19患者肺病变及其异质性的详细分析，研究人员发现肺两种上皮细胞脱落和凋亡的升高、炎症损伤与免疫反应的过度、不同血管内皮细胞的变化、凝血功能紊乱以及细胞表型转化与肺纤维化的加剧等事件是COVID-19肺病理的关键损伤过程和分子特征。进而，结合COVID-19患者肺组织的多维组学分析，研究人员首次发现肺组织的加速衰老是COVID-19的新型病理事件。具体而言，与年龄匹配的对照肺组织相比，老年COVID-19患者肺组织中的衰老标志物（p16、p21、p53）、衰老相关分泌表型因子（IL-6）、DNA氧化损伤标记物（8-OHdG）等均呈现上调表达，且核纤层蛋白（LAp2）和异染色质蛋白（Hp1γ）表现为加速缺失。这些均提示SARS-CoV-2感染可诱发肺组织细胞的加速衰老。为进一步明确细胞类型特异的基因表达变化，研究人员利用高精度单核转录组测序技术，系统揭示了包括肺部上皮细胞、内皮细胞、基质细胞和免疫细胞4种主要细胞大类，28种不同细胞类型的病理相关基因表达特征。

对于肺上皮细胞而言，研究发现SARS-CoV-2感染导致上皮细胞凋亡和功能紊乱，主要表现为肺表面活性物质减少及粘液分泌增多，这可能与气体交换障碍及肺部低氧血症密切相关。此外，研究人员鉴定了一类Ⅱ型肺泡上皮细胞（AT2）向Ⅰ型肺泡上皮细胞(AT1)分化过程中的过渡态细胞类型（AD.inter），其具有损伤相关瞬时祖细胞（DATp）的特征。这类细胞亚群在COVID-19肺组织中大量聚集，可能是介导COVID-19肺上皮细胞缺失及损伤加剧的原因之一。进一步，研究人员通过对免疫细胞亚群的分析发现，肺泡及肺间质中促炎性巨噬细胞（M1 alveolar macrophages，M1 interstitial macrophages）增加，这些细胞可能通过释放大量的促炎细胞因子加重弥漫性肺泡损伤。针对于血管内皮细胞的分析结果显示，SARS-CoV-2感染可能导致内皮损伤及凝血程序的启动。此外，研究人员还发现COVID-19肺组织中富集了一群介于肺毛细血管内皮(Cap.EC.g)和肺泡气体交换毛细血管内皮（Cap.EC.a）之间的毛细血管中间态细胞（Cap.EC.i），这些细胞高表达血管内皮炎症和损伤相关基因，可能介导了内皮细胞分化特征的紊乱及COVID-19肺的内皮病变。此外，结合人肺成纤维细胞的研究模型，研究人员发现长寿基因FOXO3的表达沉默可能是成纤维细胞向肌成纤维细胞（介导肺纤维化的主要细胞类型）转变的关键驱动因素。这些发现为COVID-19肺损伤的发生发展提供了新型生物标志物和潜在干预靶标。

该研究报道了COVID-19患者肺组织的多维组学全景图谱，系统解析了COVID-19患者肺组织中多种细胞类型的疾病变化规律，加深了人们对COVID-19患者肺组织多种结构病变和功能减损的认识。更为重要的是，研究首次鉴定了COVID-19患者肺的加速衰老表型。考虑到衰老细胞累积对器官退行的驱动作用，该研究为SARS-CoV-2感染导致的老年人致死率增加及预后的多种后遗症提供了可能的解释。此外，研究团队前期发现维生素C（一种可延缓人干细胞衰老的化合物）可抑制炎症因子诱导的新冠病毒受体蛋白ACE2的表达（Cell Research, 2020），提示衰老干预策略可能是减轻新冠肺炎器官损伤的潜在防治手段。该研究为阐明COVID-19发病机制以及老年群体中新冠肺炎高重症率的原因提供了重要线索，并为发展新冠肺炎及老年群体愈后后遗症的干预策略提供了新思路。

相关数据已上传至衰老多组学数据库Aging Atlas (https://bigd.big.ac.cn/aging/index)。

该研究由中国科学院动物研究所、陆军军医大学（第三军医大学）第一附属医院、首都医科大学宣武医院、中国科学院北京基因组所（国家生物信息中心）、中国医学科学院老年医学研究所等机构合作完成。陆军军医大学第一附属医院卞修武院士、中国科学院动物研究所刘光慧研究员（leading contact）、中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）张维绮研究员、中国科学院动物研究所曲静研究员为共同通讯作者。中国科学院动物研究所王思副研究员（现为首都医科大学宣武医院研究员）、陆军军医大学第一附属医院姚小红副教授、中国科学院动物研究所马帅副研究员、陆军军医大学第一附属医院平轶芳教授、中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）范艳玲助理研究员、中国科学院动物研究所孙淑慧助理研究员、中国科学院动物研究所宋默识研究员等合作者为共同第一作者。该项目获得国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41556-021-00796-6.pdf

附图:示意图显示该研究揭示的上皮细胞衰老、脱落、凋亡升高、过度炎症反应、凝血和纤维化加剧是COVID-19肺的主要病理表型特征，也是全身系统性免疫损伤的“发源地”和“主战场”。