综述：单细胞转录组学揭示了结核病患者中红系祖细胞的表型和功能变化

《Tuberculosis》：Single-cell transcriptomics reveals phenotypic and functional alterations of erythroid progenitor cells in tuberculosis patients

结核分枝杆菌感染引发贫血与造血祖细胞动态变化及免疫互作机制研究。整合PBMC和肺组织单细胞转录组数据，揭示活动性肺结核患者存在DTB特异性造血祖细胞亚群（EPC_DTB），其通过ANNEXIN/GALECTIN/MIF信号轴与免疫细胞双向调控，并伴随糖酵解、精氨酸代谢重编程及分化增强。建立PBMC EPC亚群特征（GRIK3/S100B/ZDHHC19/LRRN3）预测潜伏结核模型，阐明贫血与免疫调节的分子联系。

　　

郝张|曹艳|杨玲|刘博文|关景志|王新静

中国人民解放军总医院结核病科，北京100091，中国

摘要：

贫血是结核病（TB）的常见并发症，与宿主免疫功能受损和预后不良密切相关；然而，它对红细胞前体细胞（EPCs）动态变化的影响仍大部分未被探索。在这项研究中，我们整合并分析了健康对照组、潜伏性结核病（LTB）组、结核病（TB）组和播散性结核病（DTB）组的外周血单核细胞（PBMC）的单细胞转录组数据，以及18F-FDG标记的结核病肺组织和相邻未受累区域的单细胞数据。在单细胞分辨率下，我们在PBMC中识别出十个EPCs簇，其中簇2-6代表了DTB特异性的亚群（EPC_DTB）。这些EPC_DTB表现出代谢重编程（包括糖酵解、精氨酸和脂质代谢），同时IFITM3/JUN和核糖体基因上调，这与增强的分化一致。EPC_DTB和EPC_TB通过ANNEXIN和GALECTIN信号通路与巨噬细胞、树突状细胞和单核细胞相互作用，而这些免疫细胞则通过MIF信号轴反向调节EPCs亚群。在肺组织中，EPCs（12个簇）显示出疾病特异性特征，其中簇0、3和6仅在结核病病变中存在。炎症灶中的EPC_High亚群显著上调GZMA、IL32、CCL5和CHI3L1，而EPC_Low通过MDK–NCL信号通路与免疫细胞、上皮细胞和基质细胞进行交流。此外，我们基于PBMC中的EPC_LTB特征基因（GRIK3、S100B、ZDHHC19和LRRN3）建立了一个LTB预测模型。我们的研究揭示了不同结核病阶段和组织中EPCs的异质性，阐明了它们与免疫细胞的双向相互作用，并建立了贫血、免疫调节和EPCs生物学之间的联系，从而提出了潜在的诊断生物标志物和治疗靶点。

引言

结核病（TB）作为单一传染性病原体导致死亡的主要原因，仍然是全球主要的公共卫生问题。贫血是结核分枝杆菌（MTB）感染后的常见并发症，研究表明超过60%的结核病患者存在不同程度的血红蛋白（HGB）降低[1]。贫血不仅影响基础代谢和组织氧合，还削弱了免疫细胞介导的抗TB反应和白细胞杀菌活性[2]，[3]，其严重程度与疾病进展、治疗反应和死亡风险密切相关[4]，[5]，[6]，[7]。结核病患者贫血的发展是多因素的，主要由铁缺乏和慢性炎症引起[8]。有证据表明，红细胞吞噬作用可能在MTB感染期间促进免疫反应，但同时也会缩短红细胞的寿命，从而加重贫血[6]。铁过载会增加感染易感性，而铁限制状态有助于抑制MTB生长[9]，[10]；因此，MTB感染者常常出现功能性铁缺乏，限制了成熟红细胞的产生[11]。此外，MTB诱导的全身炎症会升高各种炎症介质（如TNF-α、IL-1、IL-6、IL-10、IFN-γ）[12]，进一步促进炎症性贫血的发展[13]。

在生理条件下，未成熟的红细胞不会进入外周循环。然而，在贫血、感染或癌症等病理状态下，脾脏中会发生髓外造血（EMH）。先前的研究表明，在MTB感染期间，病原体可以通过间充质干细胞在骨髓微环境中持续存在[14]，抑制骨髓功能[15]并增强脾脏的EMH以补偿红细胞再生[15]，[16]。然而，这种补偿反应往往不完全。例如，在禽类分枝杆菌感染模型中，尽管脾脏和骨髓中的红细胞前体细胞（EPCs）数量增加，但大多数未能分化为成熟红细胞，导致外周红细胞水平恢复不足[16]；相反，大量未成熟的EPCs被释放到循环中[17]。这表明MTB可能通过侵入骨髓和重塑造血过程持续影响宿主的先天免疫。值得注意的是，EPCs在各种传染病和癌症中显示出显著的免疫调节功能；然而，它们在结核病不同阶段的动态变化和潜在免疫作用仍大部分未被探索。

基于此背景，本研究整合了不同疾病阶段结核病患者PBMC和肺组织的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据。我们系统地描述了免疫细胞组成、红细胞谱系的异质性及其与免疫微环境的相互作用，同时利用代谢分析和细胞-细胞通信网络来阐明EPCs的潜在免疫功能。此外，我们构建了一个基于EPCs亚群的潜伏性结核病感染诊断模型，并确定了潜在的肺组织生物标志物，为贫血与失调的抗TB免疫之间的关键联系提供了新的见解。

数据收集

我们从BioProject数据库（https://ngdc.cncb.ac.cn/bioproject/）（PRJNA605083）获取了外周血单核细胞（PBMC）单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，其中包括两名健康对照组（HC）、两名潜伏性结核病感染者（LTB）和三名结核病患者（TB）[18]。此外，我们还从基因表达组学数据库（GEO）（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）下载了scRNA-seq数据集，包括GSE196638，其中包含三个

活动性肺结核患者的红细胞和血红蛋白水平及其与免疫参数的相关性

我们首先比较了四组（HC、LTB、TB和静止性TB）的常规血液学参数和淋巴细胞亚群的绝对计数。结果显示，TB组的红细胞（RBC）、血红蛋白（HGB）、T细胞、CD4⁺ T细胞、CD8⁺ T细胞、自然杀伤（NK）细胞和B淋巴细胞显著低于其他三组，而血小板（PLT）、中性粒细胞（NEU）和单核细胞（MONO）水平显著升高。在静止性TB组中，白细胞（WBC）计数较低

讨论

为了阐明EPCs在人类结核病过程中的作用，我们对不同疾病阶段的PBMC和肺组织中的scRNA-seq数据进行了综合分析，从而提供了结核病进展过程中EPCs动态的系统图谱。我们首次在人类样本中识别出DTB特异性的EPCs亚群，该亚群表现出更分化的状态，并伴有与免疫相关的代谢途径（如糖酵解和精氨酸）的重编程

结论

总之，本研究系统地描述了不同结核病阶段PBMC和肺组织中EPCs及其免疫微环境的动态变化。我们在人类样本中首次识别出具有独特分化和代谢重编程特征的DTB特异性EPC亚群，绘制了EPCs与免疫细胞之间的配体-受体相互作用网络，并揭示了EPCs与组织重塑相关分子的协调上调

CRediT作者贡献声明

关景志：撰写——审稿与编辑，资金获取。杨玲：可视化，方法学。刘博文：软件。郝张：撰写——初稿，可视化，验证，软件，正式分析，概念化。曹艳：撰写——初稿，概念化。王新静：撰写——审稿与编辑，监督，正式分析，概念化

数据和材料的可用性

本研究生成的数据可应要求向相应作者获取。

出版同意

不适用。

利益声明

作者声明没有竞争利益。

关于生成式人工智能的使用声明

在本手稿的构思、数据分析或撰写过程中没有使用任何生成式AI工具（如ChatGPT或类似系统）。所有内容均由作者单独创建和验证。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号：82172902）的支持。

致谢

不适用。