铜绿假单胞菌急性肺炎中结构细胞与免疫细胞的结构-时间分辨单细胞与空间转录组学动态编排

《Frontiers in Immunology》：Dynamic orchestration of structural and immune cells in acute Pseudomonas aeruginosa pneumonia revealed by time-resolved single-cell and spatial transcriptomics

　　

背景：铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）肺炎触发复杂且动态的宿主反应，但炎症与修复的细胞协调机制仍不明确。方法：研究人员对小鼠肺在感染后0–96小时五个时间点进行时间分辨单细胞RNA测序（scRNA-seq），并在0、24、96小时匹配组织切片上整合10x Visium空间转录组学，共分析41,452个高质量细胞。结果：研究人员鉴定出四个中性粒细胞亚群，其中N3群体具有强效抗菌活性；追踪到急性感染中炎症成纤维细胞源于Col13a1+基质成纤维细胞，该过程由Stat1与Nfkb1为核心的调控网络驱动；空间转录组学经RCTD解卷积显示24小时免疫浸润峰值达22.5%，COMMOT分析发现Ccl2–Ccr2与Cxcl2–Cxcr2空间信号分别增强30倍与25倍，定位趋化因子驱动的招募灶；空间作图区分组织重塑活动与细胞类型丰度，发现由Timp1主导的急性基质重塑区；II型肺泡上皮细胞经历稳态、炎症、修复三态转换，96小时昼夜基因Dbp特异性上调；上皮来源IL-33经ST2受体（Il1rl1）激活2组先天淋巴样细胞（ILC2s），促2型免疫以限止免疫病理。结论：该整合时间分辨空间转录组学图谱阐明结构与免疫细胞如何平衡杀菌与修复，为铜绿假单胞菌肺炎的宿主导向治疗提供新靶点。

研究背景方面，铜绿假单胞菌是威胁免疫低下者、囊性纤维化与机械通气患者的机会性病原菌，其耐药与毒力使急性肺炎ICU病死率超40%。传统批量RNA测序（bulk RNA-seq）难捕细胞异质性与稀有亚群，而肺部细菌感染中炎症成纤维细胞来源、中性粒细胞功能异质性、肺泡上皮状态转换及炎症消退调控网络仍存在知识缺口，因此亟需时空分辨率的多组学图谱来解析杀菌与组织修复的平衡机制。研究人员构建小鼠肺感染PAO1的时间分辨单细胞与空间转录组学图谱，得出结构细胞与免疫细胞协同编排炎症与修复的结论，对开发补传统抗菌治疗的宿主导向疗法具重要意义，论文发表于《Frontiers in Immunology》。

关键技术方法上，样本为6–8周雌性C57BL/6J小鼠，雾化感染PAO1（1×10⁶ CFU），设0、12、24、48、96小时感染后队列；方法涵盖10x Genomics Chromium单细胞RNA测序、Seurat整合与聚类、pySCENIC转录因子调控网络、scVelo RNA速率、10x Visium空间转录组学、RCTD细胞类型解卷积及COMMOT配体–受体信号最优传输分析。

研究结果如下。3.1 小鼠肺综合细胞图谱：经无监督聚类与UMAP获15类主要细胞，机器学习验证准确率>92%；中性粒细胞由2.1%升至24小时28.7%后回落，炎症评分显示结构细胞也主动参卫宿主防御。3.2 中性粒细胞异质性：对4,929个中性粒细胞分四亚群，N_3（炎症/抗菌）高表达Ccl3、Il1a、Sod2、Gbp2，富集NF-κB/Toll样受体通路，为主力杀菌亚群。3.3 Col13a1⁺基质成纤维细胞为炎症成纤维细胞主要源：5,461个成纤维细胞分六亚群，活化成纤维细胞12小时扩增、STAT1/NFKB1/IRF1调控网驱动，空间上24小时感染实变区富集。3.4 单核吞噬细胞响应：8,239个细胞分九亚群，IM_2与AM_2分别介细菌清除与趋化因子/补体/干扰素应答，AM_1维持组织驻留稳态。3.5 肺泡上皮状态转换：1,693个上皮细胞中AT2_1稳态、AT2_2炎症、AT2_3修复；96小时Dbp与Per3上调，提示昼夜节律程序参与消退。3.6 ILC2介急性感染2型免疫：AT2_2上调Il33，ILC2高表达Il1rl1（ST2），NF-κB（Nfkb1）与MAPK信号促2型细胞因子，抑过炎以助修复。3.7 空间转录组学揭示趋化驱动招募：RCTD示免疫浸润0小时14.7%、24小时22.5%、96小时回14.7%；COMMOT量得Ccl2–Ccr2与Cxcl2–Cxcr2信号剧增，Spp1–Cd44涉巨噬活化与重塑，空间差异表达区分免疫富/贫区。

讨论总结部分，研究人员指出该工作以时间分辨单细胞加空间转录组学克服解离法丢失架构上下文之限，把菌群清除、基质重塑、上皮修复与ILC2介导的2型免疫串扰连成统一框架；Col13a1⁺成纤维细胞起源、N_3抗菌中性粒细胞、Dbp昼夜程序与IL-33–ST2–ILC2轴均为可成药支点。结论译文：本研究整合的时间分辨空间转录组学图谱阐明了结构细胞与免疫细胞如何编排杀菌与组织修复之间的平衡，凸显了铜绿假单胞菌肺炎中宿主导向治疗的新型靶点。