人类中性粒细胞单细胞图谱（SCAHN）揭示健康与疾病中的中性粒细胞异质性、跨物种保守性及临床风险关联

《Nature Immunology》：A single-cell atlas of human neutrophils reveals neutrophil heterogeneity across health and disease

　　

中性粒细胞是人类血液中最丰富的白细胞，在健康与疾病中具有多效作用。研究人员通过整合来自43个独立数据集、781个样本的100万个人类中性粒细胞转录组数据，构建了人类中性粒细胞单细胞图谱（single-cell atlas of human neutrophils, SCAHN）。利用SCAHN，研究人员在单细胞分辨率下鉴定了跨组织具有不同功能的多个中性粒细胞亚群，并发现感染、癌症、免疫抑制及性别差异中基因表达和亚群比例的稳健变化。将小鼠和非人灵长类中性粒细胞跨物种参考映射至SCAHN，揭示了保守和物种特异性特征。利用来自40个数据集的17,023份批量血液转录组谱，研究人员发现中性粒细胞特异性特征可预测急性病患者就诊时的死亡率，与癌症诊断和生存相关，并与代谢功能障碍及长期全因死亡率相关。该研究强调中性粒细胞生物学可改善免疫风险分层，并促进有效诊断和治疗策略的开发。

研究背景与总体设计：中性粒细胞是先天免疫关键细胞，除抗菌外还调节适应性免疫、支持组织修复和稳态，并参与多种疾病。单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）已揭示稳态和疾病中的中性粒细胞转录异质性，且中性粒细胞驱动转录失调与重症感染风险、疾病严重度和死亡相关。但既有scRNA-seq研究多聚焦少数状态，采用不同测序方案、分析流程和命名，因此需要跨队列、组织、物种的系统单细胞分析统一认识。该论文发表于《Nature Immunology》。研究人员构建SCAHN，整合100万个人类中性粒细胞、781个样本、43个数据集，涵盖7个测序平台、9个国家和20余种组织与疾病；定义亚群及特征，进行小鼠和非人灵长类中性粒细胞映射，并用17,023份批量血液转录组及电子健康记录（electronic health records, EHRs）分析临床关联。其意义在于提供统一资源，改善免疫风险分层并支持诊断与治疗策略开发。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究收集43个公共人类scRNA-seq数据集，经统一质控、Seurat/SCANPY处理、SCTransform归一化和Harmony批次校正，构建共识聚类和均匀流形近似与投影（UMAP）图谱；用Symphony将小鼠及非人灵长类中性粒细胞映射至SCAHN；采用多队列随机效应Meta分析亚群比例和基因表达；在批量转录组中计算特征评分并行逻辑回归和Cox生存分析；使用Framingham Heart Study及Stanford EHR（205,817例）和Arcadia EHR（224,771例）进行回顾性分析。样本来源包括43个公共数据集、7个感染和6个癌症scRNA-seq数据集、7个SUBSPACE危重症队列与8个公共感染/危重症数据集、8,205份癌症基因组图谱（The Cancer Genome Atlas, TCGA）肿瘤活检等。

研究结果：（1）单细胞图谱描述人类中性粒细胞异质性。通过整合多数据集，研究人员将中性粒细胞分为成熟（高FCGR3B、CXCR1/CXCR2、MME）和未成熟（CEACAM8及颗粒基因）状态，未成熟者再分AZU1和LTF亚群，并鉴定MMP9亚群、干扰素（interferon, IFN）亚群IFN1/IFN2/IFN3及CXCL、CCL3/4、NF-κB、IL1B、IL1RN、VEGFA等细胞因子/炎症亚群；外周血单个核细胞（PBMC）中未成熟亚群比例高于全血，实体组织富集细胞因子/炎症亚群；研究定义未成熟、成熟、脱颗粒、抗蛋白酶、总中性粒细胞特异性特征及IFN特征，并显示S100A8/S100A9、ARG1、OLR1、CD274等基因主要由中性粒细胞表达。结论为中性粒细胞存在跨分化和组织的多样转录程序。

（2）中性粒细胞共享核心程序但按物种分化。通过四个小鼠数据集及NeuMap枢纽基因验证，SCAHN对应小鼠未成熟、IFN、抗原提呈、免疫抑制和炎症枢纽；Symphony投影小鼠和非人灵长类骨髓中性粒细胞至SCAHN显示跨物种保守。但颗粒基因LTF、LCN2、MMP8/MMP9、CD177在小鼠骨髓更广泛，MPO、CTSG在人更广；组织CXCL2、IL1B在小鼠更高，CXCL1在人更高；血SLPI在小鼠更高，S100A4在人更高。结论为存在保守组织原则和物种特异性特征。

（3）中性粒细胞亚群与多种疾病结局相关。分析7个全血感染scRNA-seq数据集167份样本发现，重症COVID-19和细菌脓毒症中AZU1、LTF、MMP9亚群比例升高，非重症COVID-19/流感不升高；IFN1和IFN3在非重症及重症感染均升高；细菌脓毒症SLPI、IL1R2亚群更高；ARG1、OLR1、S100A8/S100A9、CD274在重症COVID-19和脓毒症升高。与T/自然杀伤（natural killer, NK）细胞整合显示，高AZU1/LTF/MMP9比例及高ARG1/OLR1/S100A8/S100A9/CD274表达与FOXP3⁺调节性T（regulatory T, Treg）细胞比例高或NK比例低相关。批量危重症数据中AZU1、LTF、IL1R2、EGR1、VEGFA特征基因与死亡风险高相关，CD74与较好生存相关；未成熟、脱颗粒和总特征评分与死亡风险高相关；IL1B高表达与较好生存相关；SAVE-MORE试验中IL1B^lo组anakinra降低死亡率。癌症6个scRNA-seq数据集131份样本显示，治疗前癌中VEGFA、CCL3/4、NF-κB、IL1RN亚群高于邻近正常，VEGFA和CCL3/4效应最大；AZU1、SLPI、CD74比例更高，MMP9、MME、S100A4、PTGS2更低；CD274等基因更高；高VEGFA、NF-κB、IL1RN亚群比例及OLR1表达与CTLA4⁺TIGIT⁺CD8⁺耗竭T（exhausted T, TEX）细胞或Treg高、NK低相关。TCGA 8,205份活检中NF-κB、G0S2、VEGFA、SLPI、HSP、EGR1特征基因及抗蛋白酶、总评分与较差生存相关，CD74与较好生存相关。结论为SCAHN特征可预测结局及治疗反应。

（4）年龄、性别、体质指数（body mass index, BMI）和吸烟塑造中性粒细胞特征。通过5个scRNA-seq数据集33名健康者发现女性IFN3亚群更高、男性CCL3/4和CXCL更高；男性富集AZU1标记，女性富集IFN3标记；78例纯化中性粒细胞RNA-seq验证男性未成熟特征更高、女性成熟和IFN特征更高；18个公共血液转录组977名健康者验证男性未成熟特征更高、女性IFN更高；Framingham Heart Study 822名健康者调整年龄、BMI和吸烟后仍见未成熟评分男性高、IFN评分女性高；成熟评分呈年龄相关性别二态；高BMI者未成熟、脱颗粒、抗蛋白酶和总评分更高；吸烟者除未成熟外其他评分更高。结论为人口学和生活方式因素塑造中性粒细胞状态。

（5）中性粒细胞特征与代谢风险和死亡率相关。Framingham Heart Study 5,321人中，除成熟评分外，各中性粒细胞特征与葡萄糖、HbA1c、甘油三酯正相关，与高密度脂蛋白（high-density lipoprotein, HDL）负相关，排除糖尿病后仍显著；糖尿病患者所有评分更高；进展为糖尿病者四个评分从基线至随访增加或不变，未进展者下降；脱颗粒、总、成熟评分与7年内癌症诊断相关，无评分与7年内心血管病诊断相关；未成熟、脱颗粒、抗蛋白酶和总评分与5、7、10年全因死亡相关，成熟和IFN评分不相关；高评分组死亡风险更高。结论为中性粒细胞特征与代谢功能障碍和长期死亡风险相关。

（6）中性粒细胞计数追踪慢性病和死亡率。Stanford EHR 205,817例无Charlson合并症且中性粒细胞正常（1,500–8,000 cells per μl）者按最低四分位≤3.1 K μl^?1和最高四分位≥5.19 K μl^?1分组，最高和四分位间距组发生至少一种慢性病风险高于最低组（HR分别为1.18和1.16），并与糖尿病、痴呆、充血性心衰、慢性肾病、外周血管病和慢性阻塞性肺疾病风险增加相关；10年生存较低（HR分别为1.98和1.43）。Arcadia EHR 224,771例重复分析显示最高四分位慢性病风险HR=1.27。结论为临床正常范围内较高中性粒细胞计数与长期发病和死亡风险增加相关。

讨论部分总结：SCAHN统一了跨研究、组织和健康状态的中性粒细胞单细胞转录组，揭示感染、癌症、免疫抑制和性别差异中的稳健变化。讨论指出，人鼠中性粒细胞虽有差异，但未成熟/成熟、IFN、炎症、免疫抑制和抗原提呈等枢纽在单细胞水平可相互对应，物种分歧集中在颗粒和细胞因子基因。关于髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells, MDSCs），ARG1主要见于未成熟LTF和成熟MMP9亚群，OLR1标记LTF及组织富集亚群，AZU1缺乏二者，提示未成熟不等同抑制表型；多形核MDSC（polymorphonuclear MDSC, PMN-MDSC）宜视为未成熟和活化成熟亚群集合。CD274在重症感染和癌组织升高，主要见于IFN及细胞因子/炎症亚群，中性粒细胞是血中OLR1、ARG1、CD274的主要来源。Framingham和EHR结果提示正常范围内较高计数对应连续风险，临床阈值可能简化生物学。治疗候选包括CXCR1/CXCR2抑制剂和LOX-1抑制剂MEDI6570，但应调节特定病理程序而非广泛减少中性粒细胞。局限包括仅分析基因表达、部分疾病单细胞数据稀疏、RNA velocity不可行、平台和处理效应以及EHR未测偏倚。研究结论翻译：总之，该研究系统整合了跨多种研究、组织和健康状态的中性粒细胞单细胞转录组数据，强调需要重新评估中性粒细胞的作用，以改善风险分层并开发有效的诊断和治疗策略。