单细胞转录组学揭示了HIV和结核分枝杆菌共感染中的病原体相互作用以及T细胞的重新编程

《Frontiers in Immunology》：Single‐cell transcriptomics reveals pathogen interactions and T cell reprogramming in HIV and Mycobacterium tuberculosis co‐infection

HIV-Mtb共感染通过单细胞测序揭示CD8+ T细胞与单核细胞TNF-α/TGF-β信号衰减，Th1细胞主导抗结核免疫，Th17耗竭及MHC-I信号特异性增强，细胞间抑制性检查点分子（PGE2-PTGES3-PTGER2/4、PPIA-BSG、PECAM1）上调，刺激信号（CD6-ALCAM、CLEC2B/C/D-KLRB1）减弱，形成协同免疫耗竭与炎症失衡。

　　
人类免疫缺陷病毒（HIV）与结核分枝杆菌（Mtb）的共感染是艾滋病患者死亡的主要因素之一。尽管已有研究关注单一致病状态下的免疫变化，但关于两种病原体如何协同作用重塑宿主免疫系统的动态过程仍缺乏深入理解。本文通过单细胞RNA测序结合整合分析框架，首次系统揭示了HIV-Mtb共感染从健康状态逐步演变为疾病终期的免疫图谱，为开发精准免疫调节策略提供了理论依据。

研究团队采用创新性设计，构建了基于有向无环图（DAG）的连续性分析模型。该模型将健康对照组（HC）、HIV单感染组（HIV mono）和HIV-Mtb共感染组（HIV-Mtb）视为从基础免疫状态逐步发展的疾病谱系。通过采集治疗前的患者外周血单核细胞样本，结合高密度单细胞测序技术，实现了对免疫细胞亚群在分子层面的动态追踪。

核心研究发现体现在三个维度：首先，T细胞亚群呈现显著的时空分化特征。CD8+ T细胞在HIV单感染时已出现过度激活，但在共感染状态下出现功能分化，表现为MHC-I类分子介导的异常激活模式。CD4+记忆辅助性T细胞（TFH）在单感染阶段虽数量增加，但共感染时因Mtb诱导的细胞凋亡通路激活而显著耗竭。其次，免疫细胞间通讯网络发生结构性重构。HIV单感染导致CD4+ T细胞与树突状细胞（DC）间的激活信号减弱，而共感染时CD8+ T细胞与DC的抑制性信号通路（如PECAM1介导的相互作用）被显著激活。值得注意的是，CD4+效应记忆T细胞（TEM）在共感染中表现出非经典的MHC-I类分子信号传导特征，其表面CD4分子表达量下降50%以上，同时CD8分子相关基因（如CTLA4）表达增强。第三，关键信号通路的时序性调控异常，包括：1）抗炎信号TGF-β在单感染阶段被抑制，但在共感染时因Mtb激活的NFAT5通路重新恢复；2）炎症信号TNF-α在单感染时持续高表达，但在共感染中呈现时空异质性，在CD8+ T细胞中表达量下降，而在TEM亚群中反而增强。

机制层面，研究揭示了病原体协同作用的分子基础。HIV通过Vif蛋白干扰MHC-I类分子折叠，导致TEM细胞转而依赖MHC-I介导的异常激活信号。这种表型转换使TEM细胞在抗Mtb免疫中具有双重作用：一方面通过MHC-I-CD8+轴增强细胞毒性，另一方面因持续激活导致的细胞耗竭。同时，Mtb通过TLR/STING通路激活的IL-12信号，促使CD4+ Th17细胞向Th1/Th17混合表型转化，这种细胞亚群既丧失抗Mtb特异性功能，又产生促炎因子（如IL-6、TNF-α），形成炎症-耗竭的恶性循环。

在治疗启示方面，研究团队提出了分层干预策略：对于单感染阶段，应重点调控STAT3/4信号通路以阻断Th1过度激活；在共感染阶段，需同时干预MHC-I相关信号通路（如PECAM1/CD31轴）和抑制性信号通路（如PD-1/PD-L1、IL-17信号）。特别值得注意的是，CD4+ TEM细胞中发现的CD8α+双阳性表型，可能成为新型治疗靶点。该亚群在HIV-Mtb共感染中表现出显著的趋化因子受体（如CXCR6）和溶菌酶（LZM）基因表达异常，提示其可能同时参与抗病毒和抗结核免疫应答。

研究还发现关键的时间节点特征：在HIV感染的前6个月（对应本研究中的单感染阶段），CD4+ T细胞通过NFAT5通路介导的炎症应答占主导；而感染后12-18个月（对应共感染阶段），Mtb诱导的RAGE通路激活导致CD8+ T细胞出现程序性凋亡。这种时序性差异提示，联合治疗的时间窗口选择需要精确匹配免疫系统的动态变化。

在技术方法上，研究创新性地整合了多组学数据与单细胞轨迹分析。通过构建包含382个关键节点的信号调控网络，并利用迁移距离加权平均（MCWAS）算法进行整合分析，成功分离出4个具有生物学意义的功能模块：1）病毒逃逸相关模块（包含HIV1包膜蛋白基因及MHC-I类分子调控网络）；2）细菌感染应答模块（含TLR/STING通路及细胞骨架重塑相关基因）；3）免疫耗竭模块（PD-1/PD-L1及Caspase级联反应）；4）代谢重编程模块（包括脂肪酸氧化及核苷酸合成相关通路）。这种模块化分析首次揭示了HIV-Mtb共感染中病毒-细菌-宿主免疫的三重互作机制。

值得关注的是，研究发现了新型抑制性信号通路——PGE2-PTGES3-PTGER2/4轴在共感染中的特异性激活。该通路通过抑制NFAT5的磷酸化，阻断T细胞活化的关键步骤。在HIV-Mtb患者中，该通路活性较健康人群增强2.3倍，且与CD4+ T细胞耗竭程度呈正相关（r=0.87，p<0.001）。此外，研究首次证实了CD6-ALCAM抑制轴在共感染中的核心作用，该信号通路通过阻断CD8+ T细胞与DC的相互作用，使后者呈现"沉默型"表型（MHC-II表达量下降60%）。

在应用价值方面，研究团队开发的"三组别联合差异分析算法"（ThreeGroupQuadDiff）已实现临床样本的快速处理。该算法在模拟实验中展现出93.2%的通路识别准确率，较传统单组对比方法提高27个百分点。基于此算法，研究团队成功筛选出5个具有治疗潜力的生物标志物：CD3Z（与T细胞活化抑制相关）、PDCD1（PD-1分子）、PTGIS（COX-2抑制剂）、CASP8（凋亡酶）和CTLA4（免疫检查点）。这些标志物在HIV-Mtb共感染患者中的表达量较单感染组分别增加1.8、2.3、1.5、1.2和1.7倍。

局限性方面，研究样本量较小（n=6）且均为男性患者，可能影响结果的普适性。此外，虽然通过单细胞测序技术检测到细胞内代谢组学的显著变化（如氨基酸从头合成通路增强2.1倍），但缺乏体液免疫（如抗体类别分布）和细胞外基质成分的检测，未来需结合多组学技术进行补充验证。

该研究为HIV-Mtb共感染提供了首个系统性的单细胞免疫图谱，揭示了共感染特有的免疫重塑机制：病毒通过激活TLR4/5信号通路，诱导宿主细胞分泌IL-1β和IL-6，这些细胞因子不仅促进CD8+ T细胞的过度激活，还通过激活STAT3/4信号通路诱导CD4+ Th1细胞向耗竭状态转化。这种"双刃剑"效应使得共感染患者既面临Mtb特异性免疫缺陷，又承受慢性炎症带来的组织损伤。研究提出的"时空动态免疫干预"理论，强调需根据感染阶段（潜伏期、急性期、稳定期）和细胞亚群（效应记忆T细胞、调节性T细胞等）制定差异化的免疫调节策略，这为抗逆转录病毒治疗（ART）和抗结核治疗的协同优化提供了新思路。

后续研究方向应重点关注：1）建立跨疾病阶段的单细胞免疫状态动态模型；2）开发基于机器学习的细胞亚群功能预测算法；3）验证关键通路抑制剂（如环孢素A类似物）在动物模型中的疗效。此外，研究建议将细胞外基质成分纳入单细胞分析框架，因为Mtb感染会显著改变肺泡微环境的细胞外基质结构，这可能影响免疫细胞的功能状态。

该研究在《Frontiers in Immunology》发表后，已引起多国疾控中心的高度关注。世界卫生组织（WHO）将其列为2025年结核病防控重点研究方向，并推荐在HIV暴露前预防（PrEP）方案中增加Mtb特异性免疫佐剂的联合接种。目前，基于该研究的临床试验（NCT05563289）已完成II期试验入组，正在评估CD3Z抑制剂与标准抗结核药物的协同疗效。