单细胞图谱助力揭示结核感染保护与疾病进展的气道免疫特征
2026-08-05 来源:本站 点击次数:169
期刊： Nature Immunology
影响因子：26.5
技术服务：ScRNA-seq、Bulk
导语
全球约有四分之一的人口感染过结核分枝杆菌（M. tuberculosis），但仅有5-10%的感染者会最终发展为活动性结核病（TB）。决定感染者是保持健康还是进展为活动性疾病的早期局部免疫机制，至今仍未被完全阐明。
近期，英国弗朗西斯·克里克研究所团队在《Nature Immunology》上发表了关于结核病早期气道免疫应答的重要研究成果。研究团队借助 PET-CT 对近期结核病家庭接触者进行精准分型，并对这些未接受治疗的活动性 TB 患者和接触者的支气管肺泡灌洗液（BAL）进行了单细胞转录组（scRNA-seq）、Bulk RNA-seq 和流式细胞术的深度联合分析。研究首次在单细胞分辨率下揭示了呼吸道中中性粒细胞与 T 细胞的负相关关系：中性粒细胞的过度聚集驱动了 TB 的疾病进展和 T 细胞耗竭，而在未进展的健康接触者气道中，则鉴定出了一群具有保护作用的“干细胞样（stem-like）” T 细胞。该研究不仅揭示了决定结核病感染结局的靶基因与细胞状态，更对未来开发高效的宿主导向疗法（HDT）和新型疫苗提供了关键的理论支撑。
技术服务
ScRNA-seq、Bulk
研究结果
1. 单细胞图谱揭示气道中性粒细胞与T 细胞呈对立变化
研究者对894,159个BAL细胞进行整合分析，鉴定出肺泡巨噬细胞、单核细胞来源巨噬细胞、单核细胞、树突细胞、两个中性粒细胞亚群以及多种T/NK 细胞亚群。活动性TB患者呈明显免疫异质性：约40%的患者气道由中性粒细胞主导，且这些患者均为BAL培养阳性；另一些患者则表现为T 细胞比例较高、中性粒细胞较少。进展者在疾病发生时也出现类似分化，而大多数未进展者的BAL以肺泡巨噬细胞为主，提示其气道维持相对低炎症状态。
Fig 1.近期结核病家庭接触者的前瞻性队列设计与BAL多组学分析流程
Fig 2. BAL单细胞RNA测序揭示活动性TB、进展者与未进展者的气道免疫细胞组成差异
2. 气道中性粒细胞增加与疾病进展、影像学范围和细菌负荷密切相关
差异丰度分析显示，从IGRA阳性但PET–CT稳定的未进展状态，到进展者，再到活动性TB，气道中性粒细胞逐步增加；进展过程中还伴随单核细胞升高。流式细胞术进一步证实，BAL中性粒细胞数量与胸片Timika评分呈正相关（Spearman r = 0.68），并与结核分枝杆菌细菌负荷呈更强正相关（r = 0.76）。培养阳性患者BAL中的IL-1β、IL-1RA、MMP-9及中性粒细胞趋化因子CXCL8也明显升高，说明中性粒细胞积累不仅是细胞比例变化，更代表广泛的局部炎症放大。
Fig 3.气道中性粒细胞随结核病进展和严重程度增加
3. 两类炎症性中性粒细胞状态与巨噬细胞炎症程序共同推动疾病
单细胞分析将气道中性粒细胞分为两种主要状态：C2群高表达IFIT2、IL1RN、IL1B等基因，具有显著的I型干扰素应答特征；C3群则以CXCR4、DDIT3、CCL3和CXCL8等为特征。两类中性粒细胞的频率均与影像学疾病负荷正相关，但C2炎症特征在活动性TB中比进展早期更强，提示其随疾病加重而进一步放大。利用小鼠IFNAR阻断数据，作者还将C2特征拆分为I型干扰素依赖和非依赖两部分，二者均在晚期疾病中增强。
与此同时，中性粒细胞高比例患者的各类气道巨噬细胞普遍上调趋化、炎症性细胞死亡、VEGF信号及I型干扰素相关基因，并广泛增加CXCL8表达。CXCL8蛋白水平与影像学疾病负荷显著相关，提示巨噬细胞可能持续招募中性粒细胞，形成“巨噬细胞炎症激活—CXCL8释放—中性粒细胞积累”的正反馈回路。
Fig 4.与疾病进展和严重程度相关的中性粒细胞及炎症性巨噬细胞状态
4. 人气道炎症性髓系细胞特征在非人灵长类和小鼠结核模型中得到验证
为验证这些人气道免疫特征是否真正反映肺内结核病灶，研究者将其投射至已发表的非人灵长类动物（NHP）肺肉芽肿和小鼠肺单细胞数据。结果显示，人C2中性粒细胞在NHP原发感染肉芽肿中显著富集，而在既往感染后获得CD4+ T 细胞依赖性保护的再感染动物中明显降低；该同样富集于易感小鼠肺中性粒细胞。人炎症性巨噬细胞则主要富集于NHP疾病相关的CXCL9/IDO1高表达巨噬细胞，并在保护性再感染背景下减弱。跨物种一致性进一步支持这些髓系细胞状态与感染失控及组织炎症具有生物学关联。
Fig 5.人TB气道炎症性中性粒细胞和巨噬细胞在NHP及小鼠肺组织中得到复现
5. 中性粒细胞主导的气道微环境伴随T 细胞耗竭、细胞毒性和死亡程序
在中性粒细胞高比例的进展者和活动性TB患者中，具有潜在保护作用的CXCR3+CCR6+ CD4+效应/效应记忆T 细胞几乎消失，其比例与影像学疾病负荷呈显著负相关。受体–配体分析显示，中性粒细胞低状态下存在丰富的T 细胞–巨噬细胞和巨噬细胞–巨噬细胞互作；而在中性粒细胞高状态下，中性粒细胞成为信号发送与接收的核心，其他细胞间互作明显减弱。
转录层面上，中性粒细胞高状态的CD4+效应T 细胞和CD8A+ T 细胞上调LAG3、TIGIT、CTLA4、PDCD1等共抑制受体，同时增强GZMB、GNLY、PRF1等细胞毒分子及BAX、GSDMD、CASP1、MLKL等细胞死亡相关基因。TRAIL和TWEAK外源性凋亡通路也仅在中性粒细胞高状态中被预测激活。这表明持续的中性粒细胞炎症可能使局部T 细胞陷入“慢性激活—耗竭—死亡”的失效轨迹，最终削弱对结核分枝杆菌的控制。
Fig 6. 中性粒细胞积累伴随气道T 细胞功能障碍及细胞间互作重构
6. 未进展者保留静息、调控和干细胞样淋巴细胞程序，构成潜在保护性免疫
与疾病进展相反，IGRA阳性且仅胸内淋巴结PET–CT阳性的未进展者中，HLA-DR+PD-1−效应T 细胞明显增加，提示存在活跃但未进入耗竭的局部免疫应答。作者鉴定出一个在未进展者中维持、但在肺部PET–CT炎症和疾病进展时逐渐丢失的T 细胞核心特征，其中包括细胞黏附基因CD2、CD48，转录调控因子ETS1，以及维持静息状态的FOXO1和BTG1。
研究还发现一个更具“近期保护应答”特征的T 细胞特征，仅在IGRA阳性、淋巴结PET–CT阳性的未进展者中显著升高，其核心基因包括干细胞样T细胞相关的IL7R和LEF1，以及参与TCR信号调控和膜动态的CD52、TRAT1和ANXA6。γδT/NK/ILC细胞中也存在由TCF7、LEF1、SELL构成的干性特征，以及包含KLRK1（NKG2D）的先天淋巴细胞核心程序。上述保护性特征在免疫保护的NHP肉芽肿和相对抗结核的小鼠模型中同样富集，提示“适度激活、保持静息和干样潜能”可能是持久控制感染的关键。
Fig 7. 人与动物模型中共同存在的结核感染控制相关保护性淋巴细胞特征
结论
本研究以近期结核病家庭接触者为窗口，在人体感染早期描绘出两条相反的气道免疫轨迹：一条是由I型干扰素依赖和非依赖的炎症性中性粒细胞、CXCL8高表达巨噬细胞及T 细胞耗竭/死亡共同构成的“疾病进展轴”；另一条则是在未进展者中保留的调控、静息和干细胞样T 细胞及先天淋巴细胞程序，代表潜在的“感染保护轴”。这些特征不仅与PET–CT影像活动、细菌负荷和疾病严重程度相关，还能在NHP和小鼠肺结核模型中复现。
研究提示，未来结核病宿主靶向治疗可考虑抑制过度的中性粒细胞募集、I型干扰素炎症放大或CXCL8相关通路；疫苗研发则应重点关注能否在肺部建立持久、可更新但不过度分化的干细胞样T细胞反应。需要注意的是，本研究主要为观察性关联，BAL与肺实质肉芽肿并非完全相同的组织区室，相关细胞状态的因果作用仍需进一步功能实验和独立队列验证。
参考文献：
Branchett WJ, Kim JW, Shields J, et al. Airway immune signatures of protection and disease progression in recent human tuberculosis household contacts. Nature Immunology. Published online June 24, 2026. https://doi.org/10.1038/s41590-026-02544-0