摘要：细菌性肺炎作为一种严重的公共卫生疾病，不仅发病率高、死亡率高，且医疗负担重。抗生素治疗是目前的主要手段，但治疗手段仍有局限性。因此，深入理解细菌性肺炎的发病机制对于开发新的治疗策略至关重要。

细菌性肺炎作为一种严重的公共卫生疾病，不仅发病率高、死亡率高，且医疗负担重。抗生素治疗是目前的主要手段，但治疗手段仍有局限性。因此，深入理解细菌性肺炎的发病机制对于开发新的治疗策略至关重要。

近期，中国人民解放军总医院呼吸与危重症学部解立新、肖坤、曹彦教授团队和首都儿科研究所王毅研究员团队采用大规模的单细胞RNA测序技术，结合分子生物学实验验证，深入剖析细菌性肺炎患者支气管肺泡灌洗液中的免疫细胞反应，从而揭示该病的发病机制和免疫应答的多元性。相关研究内容以标题为“A pan-immune panorama of bacterial pneumonia revealed by a large-scale single-cell transcriptome atlas”的论文发表在Nature子刊《Signal Transduction and Targeted Therapy》（影响因子=40.8）。

文章要点

1、细菌性肺炎疾病严重程度与免疫细胞组成的关联结果

研究纳入了轻度、重度细菌性肺炎患者和健康对照者，利用10x Genomics单细胞基因表达解决方案对肺泡灌洗液进行单细胞测序分析（下图a），并确定了8个主要的细胞群（下图b：浆母细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、CD4+ T、CD8+ T、自然杀伤细胞、树突状细胞（DC）和上皮细胞）。

研究发现中性粒细胞簇在细菌性肺炎重症患者显著富集，而轻症患者中B细胞簇更丰富（下图c，d）。浆细胞显示编码免疫球蛋白G1（IgG1）、IgG3、IgG4和IgGM恒定区的基因高表达，表明有效的B细胞激活和抗体产生可能在细菌性肺炎中扮演重要角色。

2、巨噬细胞和中性粒细胞是细菌性肺炎患者肺部炎症反应的主要驱动因素

通过分析细胞因子基因和已知炎症反应基因的表达，建立了细胞因子评分和炎症评分来评估每个免疫细胞的潜在炎症影响的指标。在细菌性肺炎患者中，研究者识别了多种炎症细胞亚型，包括巨噬细胞和中性粒细胞的不同亚型，这些亚型显示出显著升高的细胞因子和炎症评分，表明它们可能是炎症风暴的来源（下图a）。

在重症细菌性肺炎患者中，研究者发现了8个炎症细胞簇，这些细胞簇的细胞因子和炎症评分显著高于轻症患者和健康供体。进一步分析确定了4个主要炎症细胞亚群（Macro_02_M1、Neu_01_Immature、Neu_04_Homeostatic和Neu_05_Homeostatic），它们贡献了80%以上的炎症和细胞因子评分，在重症患者中，关键炎症细胞因子的表达显著升高，包括CXCL1/2/3、S100A8/9/12等。这些细胞因子主要表达于特定的炎症细胞亚群中，是炎症风暴的关键驱动因素。（下图b，c）。重症患者的S100A8/A9和CXCL8基因表达升高，可作为减轻严重感染患者免疫发病的潜在治疗靶点。对重症患者中不同高炎症细胞亚群之间的配体-受体相互作用进行检测，发现炎症巨噬细胞和其他高炎症细胞簇之间的相互作用主要依赖于趋化因子及其相应受体（下图f，g）。

3、细菌性肺炎轻症患者中Tfh和Th2细胞增多

Tfh（滤泡辅助性T细胞）、Th2（辅助性T细胞2型）和增殖的CD4+T细胞在轻症患者中显著富集，提示这些细胞可能参与细菌感染的控制（下图a）。Tfh细胞对于产生最佳的抗体反应和高质量的中和抗体至关重要，与浆母细胞的扩增存在正相关关系，这种关系在轻症患者中尤为显著。Th2细胞促进B细胞的活化、增殖、分化和抗体的产生，与轻症患者的浆母细胞扩增也存在强相关性（下图b）。

GO聚类分析发现，轻度细菌性肺炎患者的CD4+T细胞中上调基因主要与抗菌防御和免疫保护相关，重症患者则与炎症反应、细胞凋亡、组织损伤和免疫抑制相关。与重症患者和健康对照组相比，Th2极化和B细胞活化相关的关键基因和转录因子在轻症患者中表现出更高的表达水平，这些发现表明轻症患者的T细胞和B细胞之间存在协调反应，导致对细菌的有效体液免疫（下图c）。在轻症患者中，两种CD4+T细胞亚型（CD4T_13_Pro和CD4T_14_Exhaustion）表现出较高的衰竭评分，与持续的I型干扰素信号和CD4+T细胞辅助不足有关（下图d）。在轻症患者中，CD4+T细胞反应主要支持免疫保护，而重症患者中，它则有助于炎症反应和免疫抑制（下图e）。重症患者的Treg细胞亚群（CD4T_04_Treg）表现出高TGF-β的表达水平，有助于抑制CD4+T细胞反应和下调效应免疫反应，可能与免疫耐受发展和细菌感染的持续有关（下图f）。

4、CD8+T细胞的激活有助于减轻细菌性肺炎严重程度

轻症和重症患者CD8 T细胞簇间存在显著差异。轻症患者中粘膜相关不变性T（MAIT）细胞和促增殖CD8+T细胞增多，而重症中所有CD8+T细胞亚群呈现耗竭状，CD8+ T细胞介导的适应性免疫应答部分中断。分化轨迹分析发现 CD8T_02/03_Effector细胞可能作为CD8+T细胞亚型之间的转分化桥梁，连接从幼稚（CD8T_01_Naive）到激活的CD8+T细胞亚群. 持续的I型IFN信号和缺乏足够的CD4+ T辅助细胞是造成CD8 T耗竭的原因（下图b）。轻症患者表达了更高水平的多种耗竭基因（如LAG3、PDCD1、CTLA4和HAVCR2）（下图c，d）。

虽然增殖能力和细胞因子的产生可能会降低，但在耗竭的CD8+ T细胞中，细胞毒性能力通常保持完整。与健康对照组相比，轻症患者在耗竭的CD8+T细胞中表现出更高的细胞毒性特征基因表达水平，差异基因分析显示轻症患者中高表达各种激活标记物（如CD69、CD38、CD25（IL2RA）和PDCD1），进一步表明轻度症状个体中的CD8+ T细胞具有更高程度的激活特征。相比之下，来自重症患者的CD8+ T细胞中表现出与炎症反应和细胞凋亡相关的基因表达升高（下图e，f）。

5、中性粒细胞反应失调是细菌性肺炎发展为重症的关键因素

亚聚类分析发现了中性粒细胞室内的显著多样性，确定了10个转录不同的细胞亚型（下图a）。轨迹分析揭示了中性粒细胞的三种不同的命运，其中Neu_03_mature、Neu_06_ISG和Neu_07_Aged代表不同的终点。其发育轨迹与细胞成熟、干扰素反应和细胞衰老相关，提示中性粒细胞在细菌感染后可能发生明显的发育和功能变化（下图c）。重症患者的未成熟中性粒细胞高表达一系列促炎分子，如S100A8/9/12、CCL3/4、IL1B和CXCL8，以及PADI4（与NETs形成相关）、BPI（与严重感染的不良结局相关）、精氨酸酶1（ARG1）（T细胞激活的抑制剂），表明未成熟的中性粒细胞可能通过促进中性粒细胞胞外陷阱（NETs）的形成，触发超炎症反应，并抑制T细胞的激活，参与了患者严重细菌感染的发病机制（下图d-e）。

DEG分析发现，重症患者过表达与中性粒细胞激活和脱颗粒、炎症反应和T细胞抑制相关的基因，表明中性粒细胞在严重感染中加重炎症和抑制适应性免疫的作用（下图f-g）。

6、巨噬细胞反应失调亦是细菌性肺炎发展为重症的关键因素

重症患者M1、M2亚群明显增多，AM亚群减少，大多数M1-和m2样巨噬细胞亚群表现出明显的促炎细胞因子评分的升高，这意味着它们是炎症反应的重要驱动因素，可能导致组织损伤和疾病严重程度的增加（下图a-c）。细菌感染患者中的Macro_03_M1集群类似于巨噬细胞MDSCs（M-MDSCs），其在免疫抑制和维持细菌感染中发挥作用。除了免疫抑制作用外，M-MDSCs（Macro_03_M1）还产生各种促炎细胞因子，可加剧组织损伤（下图d）。

在重症患者中，M-MDSCs（Macro_03_M1）细胞显著富集与免疫抑制相关的基因，如“免疫反应的负调控”、“T细胞激活/增殖的负调控”和“T细胞介导的免疫的负调控”。同时也高表达炎症和凋亡相关的各种基因（如IL6、CXCL1、CXCL3、JUN和MAP3K5），重症患者的Macro_M1_03集群以免疫抑制、炎症和细胞凋亡相结合为特征，突出了其在重症感染病理中的多方面作用（下图e-f）。M-MDSCs（Macro_03_M1）细胞通过趋化因子与其受体（如CCL3_CCR5轴）的持续信号传导可导致T细胞的持续激活，并可能导致T细胞衰竭和功能下降（下图g-h）。

结论与展望

重度细菌性肺炎中，特定巨噬细胞和中性粒细胞亚群所引发的细胞因子风暴是推动疾病恶化的关键要素。相反，轻度细菌性肺炎表现出强大的Tfh和Th2细胞反应，促进有效的体液免疫，成为遏制细菌性肺炎进展的关键机制。中性粒细胞和巨噬细胞反应失调在严重疾病的发病机制中起重要作用。对免疫细胞间的相互作用和调节机制的研究，为免疫治疗来调节患者的免疫反应、改善临床结果开辟了新的视角和思路。S100A8A9和CXCL8等免疫细胞和分子标志物，有望成为评估病情严重程度、监测治疗效果及预测预后的重要生物指标。

解放军总医院呼吸与危重症医学部主任，主任医师，教授，博士研究生导师，军委科技领军人才；专业方向：呼吸危重症、感染、呼吸康复；中华医学杂志中/英文版、中华结核和呼吸杂志、中华内科杂志编委；国际呼吸杂志、CDTM副总编；中国呼吸医师分会副会长，IDSC副主委，中国医师协会急救复苏与灾难专委会副主委；中华医学会细菌感染与耐药防治分会常委；中华医学会呼吸病分会全国委员兼呼吸治疗学组组长，危重症学组顾问；牵头获得国家科技部重大/重点课题、国家自然科学基金重点、军队重大/重点课题等资助，发表论文500余篇，其中SCI 累计影响因子1200余分 获得国家科技进步二等奖（第三完成人）、军队科技进步一等奖（第一完成人）。

肖坤

中国人民解放军总医院呼吸与危重症医学部 副主任医师 副教授 医学博士；中华医学会呼吸病学分会呼吸治疗学组委员兼秘书；中国医师协会急救复苏专委会危重病与人工生命支持学组委员；中国老年医学学会呼吸病学分会青年委员；主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等10余项军地课题。第一/通讯作者发表包括Critical Care、Cell Death & Disease 等SCI论文10余篇；入选中国科协“青年科技人才托举工程”人才培育项目；解放军总医院“3+1”创新人才工程；享受军队优秀技术人才二类岗位津贴；荣立个人二等功、个人三等功各1次；2022年中共团中央授予“全国向上向善好青年”称号。

* 文章仅供医疗卫生相关从业者阅读参考

责编：Jerry

来源：呼吸界