心脏手术并使用心肺旁路后急性肾损伤的单细胞免疫图谱

《Renal Failure》：Single-cell immune landscape of acute kidney injury after cardiac surgery with cardiopulmonary bypass

单细胞转录组学与流式细胞术联合分析揭示心脏手术相关急性肾损伤的免疫机制，发现CD8+和CD4+ T细胞激活、CCL5和ICAM1表达异常升高及IL-10下调，并证实细胞间通讯网络中CCL5-CCR1和ICAM1-ITGAL/β2信号轴的关键作用。研究首次整合单细胞测序、流式和蛋白微阵列技术，提出CD69、CD28、CCL5、ICAM1、IL-16和MIF为潜在生物标志物。

　　急性肾损伤（AKI）在心脏手术患者中较为常见，发生率介于19%至42%之间。在心脏手术中，使用心肺旁路（CPB）是一种常见的操作，但这一过程可能引发一系列复杂的免疫反应，进而影响肾脏功能。为了深入理解AKI的免疫机制，研究人员采用了一种多组学方法，结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）、流式细胞术和蛋白质微阵列技术，对心脏手术前后患者的免疫细胞景观进行了全面分析。这项研究不仅揭示了不同免疫细胞类型的动态变化，还指出了与AKI相关的特定免疫标志物和信号通路，为未来的治疗和预防策略提供了新的视角。

在心脏手术过程中，多种因素可能共同作用导致AKI的发生。这些因素包括组织缺血再灌注损伤、手术过程中血液与心肺旁路装置的接触、神经内分泌激活以及机械性损伤等。其中，缺血再灌注损伤被认为是AKI的主要诱因之一，因为它会导致线粒体通透性转换孔的开放，从而引发活性氧（ROS）的生成和促炎性转录因子如NF-κB和HIF-1α的上调。这些转录因子进一步激活并招募各种免疫细胞到肾脏组织，包括CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、单核细胞-巨噬细胞以及CD11b/CD18（Mac-1）中性粒细胞等。这种免疫细胞的招募过程涉及多种细胞间粘附分子的上调，如ICAM1，它在免疫细胞表面表达，有助于细胞与血管壁的粘附，从而进入组织并引发炎症反应。

尽管已有研究关注于心脏手术相关的AKI，但关于免疫细胞景观变化及其在AKI中的作用仍不明确。因此，这项研究首次采用前瞻性设计，结合单细胞RNA测序、流式细胞术和蛋白质微阵列技术，全面分析了心脏手术前后免疫细胞的变化。研究团队在42,362个免疫细胞中识别出五种主要的免疫细胞类型，包括T细胞、单核细胞、自然杀伤细胞、B细胞和血小板。通过比较手术前后免疫细胞的相对丰度和基因表达模式，研究人员发现，那些经历AKI的患者在T细胞和单核细胞中表现出更显著的激活和毒性增强现象。

具体而言，在CD8+ T细胞中，研究人员发现与未发生AKI的患者相比，经历AKI的患者在手术后表现出更强的激活状态，这体现在CD69和CD28等激活标志物的表达增加，以及GNLY和GZMB等细胞毒性相关基因的上调。这些变化表明，CD8+ T细胞在AKI的发生过程中可能发挥了关键作用。此外，CCL5的上调和IL-10的下调也与AKI的发生相关，提示了这些细胞因子在炎症调控中的潜在作用。值得注意的是，这些免疫细胞的变化不仅局限于数量上的差异，还涉及基因表达模式的显著改变，进一步支持了它们在AKI中的功能角色。

CD4+ T细胞的分析同样揭示了其在AKI中的重要作用。研究人员发现，经历AKI的患者中，CD4+ T细胞的代谢活动增强，这与它们在手术后表现出的更强烈的炎症反应相一致。CD4+ T细胞的亚群分析显示，CD4+ Tem细胞的相对丰度增加，而这种细胞类型以其强烈的促炎特性著称，能够持续分泌细胞因子，从而维持长期的免疫激活状态。同时，CX3CR1和HLA-A等基因的上调也进一步支持了CD4+ T细胞在AKI中的促炎角色。这些发现不仅加深了我们对心脏手术相关AKI免疫机制的理解，还为开发新的免疫监测和保护策略提供了潜在的生物标志物。

单核细胞的分析同样显示了其在AKI中的关键作用。经历AKI的患者中，单核细胞表现出更高的CD80、CD163、CD274和HLA-DRA等分子的表达，这些分子在T细胞激活和免疫调节中起着重要作用。CD80和HLA-DRA通过与CD28的相互作用，为T细胞提供必要的共刺激信号，从而促进其激活和存活。CD163则具有抗炎特性，而CD274与T细胞上的PD-1受体结合，抑制T细胞的激活和增殖。这些发现表明，尽管AKI与炎症反应有关，但单核细胞可能也在尝试通过调节免疫反应来减轻组织损伤。

此外，研究还发现ICAM1（CD54）在经历AKI的患者中显著上调，这可能促进了免疫细胞的聚集和对肾脏组织的浸润。ICAM1的上调与早期AKI的发生有关，而其在动物模型中的下调可以减轻AKI。这些结果进一步支持了ICAM1作为AKI生物标志物的潜力。通过细胞间通讯分析，研究人员还发现AKI与CD8+ T细胞分泌的CCL5与单核细胞上的CCR1之间的相互作用增强，以及单核细胞上的ICAM1与T细胞上的ITGAL和整合素β2复合物之间的互动增加。这些互动可能促进了免疫细胞的激活和炎症反应的持续。

值得注意的是，这项研究不仅揭示了AKI与免疫细胞之间的复杂关系，还指出了IL-16和MIF信号通路的潜在作用。IL-16的上调可能与T细胞趋化性增强有关，从而加剧炎症反应，而MIF的上调则可能是一种补偿性机制，旨在减轻组织损伤。已有研究表明，MIF在心脏手术后可能具有保护作用，这些发现为未来的研究提供了新的方向，即通过验证IL-16和MIF的生物学功能，探索其作为治疗靶点的可能性。

研究还指出，尽管样本量较小，但通过流式细胞术在更大的前瞻性队列中验证了关键的免疫变化，从而增强了研究结果的可靠性和临床相关性。同时，研究人员强调了多中心研究的重要性，以确保发现的生物标志物和信号通路在更广泛的患者群体中具有普遍适用性。此外，研究还提出，将这些免疫标志物整合到围术期风险预测模型中，可以为个体化医疗提供新的工具，帮助医生更早识别AKI风险并采取相应的干预措施。

综上所述，这项研究通过多组学方法揭示了心脏手术相关AKI的免疫机制，提供了多个潜在的生物标志物和信号通路。这些发现不仅有助于理解AKI的病理生理过程，还为未来的临床研究和治疗策略提供了新的方向。通过早期免疫监测和针对性干预，有望在心脏手术前、中、后更好地预防和管理AKI，从而改善患者的预后。