TNF-TGFβ轴驱动的新冠后综合征鼻上皮持续异常分化机制的单细胞测序研究

《Nature Communications》：scRNA-seq reveals persistent aberrant differentiation of nasal epithelium driven by TNFα and TGFβ in post-COVID syndrome

本研究针对新冠后综合征(PCS)机制不清、治疗受限的现状，通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析25例中重度PCS患者鼻活检组织，发现重症PCS患者鼻上皮存在纤毛细胞减少、免疫细胞浸润及TNFα-TGFβ信号轴异常激活的特征。气液界面(ALI)培养实验证实该轴心因子可导致上皮间质转化(EMT)和基底细胞分化异常，为靶向细胞因子治疗PCS提供了理论依据。

　　

当全球逐渐从COVID-19大流行的阴影中走出时，一个隐蔽的健康威胁——新冠后综合征（Post-COVID Syndrome，PCS）正悄然影响着数百万康复者。据统计，约3-17%的SARS-CoV-2感染者会面临长期持续的症状困扰，包括疲劳、呼吸困难和认知障碍等，这些症状可能持续数月甚至数年，严重影响了患者的日常生活质量。尽管临床评估手段不断改进，但PCS的发病机制仍不明确，有效的治疗策略也十分有限。

以往的研究提出了多种假说，如免疫失调、补体系统激活、凝血功能异常、组织损伤、病毒残留等，但均未能完整揭示PCS的病理机制。值得注意的是，SARS-CoV-2病毒主要通过鼻腔上皮细胞上的ACE2和TMPRSS2蛋白酶侵入人体，鼻腔作为呼吸道的第一道防线，其上皮结构的变化可能成为理解PCS的关键。然而，在病毒清除后，鼻腔黏膜是否仍存在异常状态，以及这种状态如何影响PCS的临床表现，尚缺乏深入的研究。

为了解决这一问题，由德国肺部研究中心（DZL）主导的ALLIANCE研究团队开展了一项创新性研究。他们利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，结合体外功能验证，对中度和重度PCS患者的鼻黏膜活检组织进行了系统分析。研究结果发表于《Nature Communications》，揭示了PCS患者鼻上皮中存在持续的异常分化现象，并首次提出TNF-TGFβ轴是驱动这一过程的核心机制。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，从NAPKON研究队列中筛选了25例中重度PCS患者，通过刮取中鼻甲前中部组织获取鼻上皮样本；其次，使用10x Genomics平台进行单细胞RNA测序，并通过Seurat流程完成细胞聚类和注释；此外，利用CellChat算法推断细胞间通信网络，并通过PROGENy数据库进行通路富集分析；最后，通过气液界面（ALI）培养模型，用TGFβ和TNFα刺激原代鼻上皮细胞，验证其在纤毛细胞分化和上皮间质转化（EMT）中的作用。临床数据分析部分还借助TriNetX全球医疗网络平台，评估了PCS患者呼吸道并发症的风险。

scRNA-seq分析揭示PCS严重程度与鼻上皮细胞组成异常相关

通过对15,014个中度PCS细胞和29,680个重度PCS细胞的测序数据进行分析，研究团队发现重度PCS患者的鼻上皮中纤毛细胞及其前体细胞数量显著减少，而基底细胞、T细胞和髓系树突状细胞明显增多。进一步分析证实，这种细胞比例的变化与病毒载量无关，提示PCS的病理机制并非由病毒持续感染引起，而是与免疫细胞介导的炎症反应密切相关。

TNFα和TGFβ信号通路驱动免疫细胞与上皮细胞的异常通信

通过CellChat细胞通信网络分析，研究人员发现重度PCS中基底增殖细胞和髓系细胞形成了信号交流的核心节点。其中，MIF（巨噬细胞迁移抑制因子）信号通路通过CD74-CXCR4/CD44受体轴激活，进而上调TNFα和TGFβ的表达。这些细胞因子进一步促进上皮间质转化（EMT），抑制基底细胞向纤毛细胞正常分化，导致上皮屏障功能受损。

体外ALI模型验证TGFβ和TNFα对上皮分化的影响

为了验证上述发现，研究团队利用气液界面（ALI）培养系统，模拟TGFβ和TNFα单独或联合刺激对鼻上皮细胞分化的影响。结果显示，TGFβ单独处理可抑制纤毛细胞分化，而TNFα单独刺激反而促进分化；然而，两者联合作用时，基底细胞分化路径变得混乱，无法形成完整的纤毛上皮，同时出现上皮间质转化（EMT）倾向。这一结果与临床样本中观察到的现象高度一致。

研究结论与意义

本研究的核心结论是：重度PCS的病理基础并非病毒残留，而是由免疫细胞持续激活的TNFα-TGFβ信号轴所驱动。该轴心因子通过促进上皮间质转化（EMT）和破坏基底细胞正常分化，导致鼻上皮屏障功能受损，进而增加患者发生呼吸道并发症（如间质性肺病、肺纤维化、病毒性肺炎等）的风险。

这一发现具有重要的临床转化价值。首先，它为PCS的分子分型提供了依据，提示针对TNFα-TGFβ通路的抑制剂（如抗TNFα抗体或TGFβ受体拮抗剂）可能成为治疗PCS的潜在策略。其次，研究中所建立的ALI模型为药物筛选和机制研究提供了可靠的体外平台。此外，通过TriNetX大数据分析揭示的PCS患者高发呼吸道并发症，也为公共卫生干预提供了重点方向。

总之，这项研究不仅深化了对PCS发病机制的理解，也为开发新的治疗策略奠定了理论基础。未来，针对免疫-细胞因子-上皮轴心的干预措施有望帮助数百万PCS患者恢复健康，减轻这一“长期疫情”对全球健康的负担。