综述：脓毒症中的免疫调控与治疗靶点：来自单细胞转录组学的见解

《Frontiers in Immunology》：Immune regulation and therapeutic targets in sepsis: insights from single-cell transcriptomics

脓毒症是一种由宿主对感染反应失调引起的危及生命的全身炎症综合征，常伴随免疫失调、多器官功能障碍及高死亡率。近年来，单细胞转录组学产生了大量关于脓毒症中免疫细胞异质性、谱系重编程及功能状态的数据，但针对免疫细胞亚群及调控机制的系统性整合与总结仍然不足，限制了人们对疾病进程中动态免疫反应及潜在治疗靶点的全面理解。本综述综合了脓毒症领域单细胞与多组学研究进展，重点阐述了髓系偏向的造血干/祖细胞分化与紧急粒细胞生成、中性粒细胞与髓系来源抑制细胞的免疫抑制特征、T/NK细胞耗竭与代谢适应、B细胞与浆细胞重编程，以及影响血脑屏障的神经胶质细胞极化。文中讨论了包括TLR4乙酰化、STAT3-CEBPB轴、岩藻糖基化触珠蛋白（Fu-Hp）/Mincle信号通路、调节性T细胞代谢及犬尿氨酸通路在内的关键分子机制，同时提出了潜在的生物标志物与治疗靶点，例如炎性CD16+单核细胞、SRS1中性粒细胞、与持续炎症免疫抑制分解综合征（PICS）相关的T/B细胞及极化神经胶质细胞。这一整合视角为理解脓毒症全身与中枢免疫调控提供了框架，强调了动态、多组学及空间分析的必要性，并为早期诊断、预后评估及精准免疫治疗奠定了基础。

1 引言

脓毒症被定义为由宿主对感染的反应失调导致的危及生命的器官功能障碍，仍是危重症患者死亡的首要原因。尽管支持治疗不断进步，脓毒症死亡率仍居高不下，脓毒性休克患者病死率可达40%。长期预后同样严峻，幸存者一年死亡率显著升高，再住院及心脑血管并发症风险明显增加。过去几十年中，抗感染治疗、液体复苏及器官支持等策略逐步优化，但仍缺乏特异有效的靶向治疗手段。免疫失调现被认为是脓毒症发病的核心驱动因素，涉及过度炎症与持续免疫抑制两方面。然而，针对高炎症或免疫抑制的临床干预试验疗效有限且不一致，凸显了对脓毒症免疫异质性深入机制研究的迫切需求。传统转录组研究多依赖批量RNA测序，虽揭示了炎症相关基因表达的广泛变化，但无法区分不同细胞类型的贡献，限制了免疫细胞异质性与功能状态转换的全面解析。单细胞RNA测序（scRNA-seq）的出现实现了单细胞水平免疫景观与动态轨迹的高分辨率描绘，为解析脓毒症免疫调控机制提供了前所未有的视角。自2014年首个商业化平台问世以来，技术快速发展提升了通量并降低了成本，推动了数千项研究与计算方法的发展。在脓毒症研究中，单细胞与多组学技术揭示了不同病程阶段与组织中的广泛免疫细胞重塑，包括晚期疾病的持续炎症与免疫抑制程序、髓系与淋巴系协调功能障碍，以及急性感染期的动态中性粒细胞扩增。近期的多组学与空间研究进一步展示了组织特异性免疫调控、T细胞代谢重编程及涉及中枢神经系统的神经免疫互作。在机制层面，翻译后修饰与糖基化修饰被证实可调控炎症信号强度，“极端应答内型”等概念也被提出以解释全身免疫异质性。同时，单细胞衍生的分子特征正越来越多地应用于急性呼吸窘迫综合征（ARDS）与新生儿脓毒症等临床亚组的生物标志物发现与风险分层。综上，脓毒症研究正从群体水平的批量分析转向整合的单细胞与多组学框架。

2 脓毒症免疫失调概述与单细胞技术的兴起

2.1 现有脓毒症单细胞数据集

研究人员系统收集并整理了截至2025年公开可及的单细胞RNA测序数据集，主要来源于GEO、ArrayExpress、Single Cell Portal、基因组序列档案（GSA）、国家基因库数据库（CNGBdb）及多中心临床队列。这些数据集主要关注外周血单个核细胞（PBMC），涵盖急性期、恢复期及不同严重程度的患者，还包括健康对照、未进展为脓毒症的高危感染者及部分组织样本。跨数据集比较显示免疫细胞比例与转录特征存在显著差异，主要归因于测序平台、样本处理、疾病分层及注释策略的不同。早期数据集捕捉到了动态免疫反应，如GSE167363包含脓毒症确诊后0小时与6小时的PBMC样本，揭示了单核细胞干扰素（IFN）相关通路的快速激活及T细胞早期功能抑制，支持脓毒症早期炎症-免疫失衡的概念。其他研究报道了急性期中性粒细胞的异常扩增及不成熟亚群的增多，以及从高危感染向临床诊断脓毒症过渡期间单核细胞与血小板的显著活化。超越急性期的研究则描述了疾病进展与免疫抑制阶段的免疫特征，包括CD4⁺与CD8⁺T细胞数量减少、细胞毒性下降及调节性T细胞增加，提示适应性免疫抑制加重。纵向研究进一步揭示I型干扰素信号的持续激活与T细胞耗竭并存，支持持续炎症与免疫抑制共存的双重异常模型。近期研究倾向于整合多个数据集以构建大规模免疫图谱，增强统计效力并揭示生存者与死亡者的免疫轨迹差异。多组学整合与跨组织分析揭示了脓毒症的解剖部位特异性免疫特征与代谢重编程，以及免疫失调相关的神经血管功能障碍。紧急粒细胞生成被证实与极端应答内型的形成有关，扩展了单细胞技术在分子疾病分层中的应用。跨物种整合转录组研究提供了互补视角，小鼠模型显示了免疫区室的快速重塑，但人类脓毒症表现出更强的异质性与更持久的免疫失调。此外，空间转录组学通过保留空间信息，揭示了肺、脑及骨髓等器官中免疫细胞的空间分布、细胞邻域及配体-受体互作，为理解组织微环境如何塑造免疫细胞行为提供了关键证据。

2.2 常用分析流程与工具

脓毒症的单细胞组学研究通常遵循标准化分析流程，包括数据预处理、细胞类型注释、功能分析、动态轨迹推断、细胞间通讯分析及整合建模。数据预处理始于严格的质量控制，过滤低质量细胞并校正批次效应，常用框架包括Seurat与Scanpy。细胞类型注释是下游分析的关键，但由于脓毒症中免疫细胞状态动态变化，经典标记边界模糊，常需结合SingleR、CellTypist等自动化工具与人工审核，但不同研究间的注释不一致仍是变异性的主要来源。功能表征通常通过差异表达分析与通路富集（GO、KEGG、React 等）完成，与批量RNA测序数据的整合可增强生物学解释的稳健性。伪时间轨迹分析工具（如Monocle3、Slingshot）被广泛用于重建免疫细胞状态转换，特别是从活化到耗竭的连续过程。细胞间通讯分析（如CellPhoneDB、NicheNet）则用于表征配体-受体互作网络。最后，整合建模方法结合机器学习算法，构建免疫分层框架与预后模型，将细胞异质性与临床结局联系起来。

3 脓毒症中造血与免疫细胞亚群的转录组与功能特征

脓毒症诱导造血与免疫系统的广泛重塑。造血干/祖细胞（HSCs/HSPCs）表现出髓系分化偏向，为紧急粒细胞生成提供基础。髓系细胞（单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、髓系来源抑制细胞）经历动态转录重编程，从早期高炎症状态向免疫抑制表型转变。适应性免疫细胞（CD4⁺与CD8⁺T细胞、NK细胞、B细胞与浆细胞）表现出亚群特异性耗竭、代谢重构与功能损伤。中枢神经系统中的神经胶质细胞（小胶质细胞与星形胶质细胞）也发生亚群特异性功能改变，与神经炎症及血脑屏障破坏相关。

3.1 造血干与祖细胞

单细胞多组学研究显示，脓毒症不仅改变外周免疫细胞组成，还深刻影响HSCs/HSPCs的分化轨迹与功能状态。循环HSCs组成显著改变，淋巴样祖细胞减少，红系-髓系分化偏向增强，整体造血系统向髓系应答倾斜。这种“髓系偏向”在特定HSC亚群中尤为明显，其高表达粒系生成相关基因，染色质可及性富集CEBPA/CEBPB与STAT3转录因子基序，提示紧急粒细胞生成程序激活。在早产儿脓毒症中，HSPCs与NK细胞是两栖调节蛋白（AREG）的主要来源，AREG作为EGFR配体，可能通过调节造血微环境与细胞间免疫通讯影响早期炎症与组织修复平衡。

3.2 髓系细胞

髓系细胞是脓毒症免疫失调的核心效应细胞。早期单核细胞表现为高炎症表型，伴随炎症通路激活与代谢重编程，随后逐渐转为免疫抑制表型，HLA-DR表达降低，糖酵解活性增强。恢复期出现的CD24⁺单核细胞亚群提示免疫稳态的部分恢复。儿童肺部脓毒症中存在增殖性CD14⁺单核细胞亚群，提示年龄特异性的紧急单核细胞应答程序。分子层面，触珠蛋白的岩藻糖基化通过Mincle（CLEC4E）受体增强信号传导，促进高炎症性巨噬细胞样细胞分化；TLR4-TIR结构域的CBP介导乙酰化则促进下游炎症信号与M1极化。中性粒细胞在脓毒症中发生显著重塑，多种不成熟与增殖性亚群扩增，获得髓系来源抑制细胞样特征，表现出抑制CD4⁺T细胞增殖的能力。髓系来源抑制细胞（MDSCs）在慢性危重症患者中显著扩增，存在兼具PMN-MDSC与M-MDSC特征的混合亚群（H-MDSC）。血小板与巨核细胞也参与免疫调控，非存活者血小板转录组显示凝血、活化与炎症相关程序上调，并与单核细胞共享核心炎症特征。

3.3 T细胞与NK细胞

CD4⁺T细胞表现出亚群特异性耗竭与代谢重构。NR4A2⁺中枢记忆CD4⁺T细胞在脓毒症中富集，表现为CD28与ICOS下调，PD-L1与TIM-3上调，与患者不良预后相关。调节性T细胞（Tregs）在危重状态下表现出最强的代谢可塑性，糖酵解能力增强以维持其频率与免疫抑制功能。晚期脓毒症CD4⁺T细胞呈现经典“T细胞耗竭”，核糖体与线粒体基因下调，凋亡相关基因上调。CD8⁺T细胞、NK细胞与NKT细胞也出现亚群扩增与功能失衡，促炎亚群CCL3、CCL4与TNF表达上调与高死亡率相关。在持续炎症免疫抑制分解综合征（PICS）中，Tregs比例下降并处于抑制状态，CD8 TEMRA细胞比例增加，同时表现出增殖活性与免疫功能障碍。

3.4 B细胞与浆细胞

脓毒症中B细胞比例普遍下降，转录组显示代谢功能障碍与免疫调节能力受损。浆细胞则在疾病进展中趋于扩增，可能受NK细胞干扰素信号影响。PICS患者中初始与记忆B细胞比例下降，浆细胞增加但功能受损，存活者的记忆B细胞与IGHA1⁺浆细胞活性更高，提示与预后改善相关。

3.5 中枢神经系统神经胶质细胞

在脓毒症相关脑病（SAE）中，海马区神经胶质细胞表现出明显的亚群特异性功能失调。小胶质细胞分为两个亚群，小胶质细胞2呈M1样促炎表型，高表达HLA-DRA、IL1B与TNF；小胶质细胞1则呈低反应状态，M1与M2标记基因均广泛下调。星形胶质细胞也存在两个主要亚群，星形胶质细胞2同时上调神经毒性A1与神经保护性A2基因特征，呈混合活化状态；星形胶质细胞1相对静息，A1相关活性降低。两类星形胶质细胞均下调血脑屏障完整性相关基因，为脓毒症中血脑屏障破坏提供了分子基础。