Single-nucleus RNA sequencing dan spatial transcriptome atlas hati COVID-19

Read Also

Dalam sebuah penelitian baru-baru ini yang diposting ke preprint server bioRxiv*, para peneliti melakukan single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) dan pembuatan profil transkriptomik spasial hati dari pasien penyakit coronavirus 2019 (COVID-19) yang telah meninggal.

Latar belakang

COVID-19 menghadirkan spektrum fenotipik yang luas dengan potensi keterlibatan banyak organ selama fase akut. Ada penelitian terbatas pada hati dari pasien COVID-19 yang menghambat analisis terperinci tentang cedera hati terkait dan kemungkinan efek jangka panjang. Sebelumnya, penulis membuat atlas sel COVID-19 dari banyak jaringan dari pasien yang meninggal menggunakan snRNA-seq.

Meskipun patobiologi paru-paru pada COVID-19 telah diselidiki secara mendalam, dampaknya pada organ lain, termasuk hati, belum dieksplorasi secara mendalam. Beberapa faktor, seperti severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), peradangan sistemik, hipoksia, dan cedera akibat obat, dapat mendasari fenotipe hati COVID-19.

Studi dan temuan

Dalam penelitian ini, para peneliti membuat atlas hati COVID-19 dari profil snRNA-seq dari spesimen hati 17 orang yang meninggal karena COVID-19. Para penulis menggunakan snRNA-seq untuk mendapatkan 80.808 profil dari pasien yang diotopsi, yang terintegrasi dengan mereka dari empat kontrol yang sehat. Profil ini dipisahkan menjadi lima kompartemen – hepatocytes, immune/blood, endothelial, biliary epithelial (BECs), dan mesenchymal cells.

Atlas transkriptom spasial dihasilkan dari 62 regions of interest (ROIs) dari tiga zona lobular dan triad portal di empat pasien yang diotopsi menggunakan digital spatial profiling whole transcriptome atlas (WTA) platform. Ekspresi lebih dari 18.000 gen ditangkap di WTA. Triad portal dan tiga zona lobular memiliki profil ekspresi yang berbeda.

Zona lobular 1 memiliki aktivitas transkripsi tinggi untuk siklus urea, glutathione dan metabolisme lipid, perakitan lipoprotein, biosintesis steroid dan asam lemak, dan siklus urea. Zona 2 memiliki pola yang sebanding tetapi menunjukkan peningkatan biosintesis fucose dan katabolisme trigliserida. Sebaliknya, zona 3 memiliki aktivitas katabolisme obat yang lebih tinggi.

Pada spesimen COVID-19, terdapat proliferasi hepatosit di zona lobular 1 dan jalur respons stres atau hipoksia di zona lobular 3, yang tidak didokumentasikan pada hati yang sehat. Zona 3 memiliki sinyal peradangan tertinggi – aktivasi inflammasome, sinyal interleukin (IL), respons sitokin, pengikatan interferon (IFN)-γ, dan proses apoptosis, yang mungkin terkait dengan infeksi SARS-CoV-2 dan mungkin tidak begitu jelas. dalam hati yang sehat.

Hepatosit mewakili kompartemen dominan (63,8%) di atlas dan dibagi menjadi tujuh himpunan bagian (HEP1 hingga HEP7). Sel HEP2 menunjukkan ekspresi tinggi dari gen yang mengkode protein sirkulasi (faktor koagulasi, albumin, apolipoprotein). Sel HEP6 dan HEP7 memiliki profil yang mirip dengan sel HEP2 tetapi dengan peningkatan ekspresi penuaan seluler atau jalur apoptosis di HEP6 dan protein fase akut di HEP7.

Sebaliknya, sel HEP1, HEP4, dan HEP3 memiliki ekspresi diferensiasi sel yang lebih tinggi, transduksi sinyal, dan jalur penyembuhan luka tetapi menunjukkan penurunan ekspresi gen fungsi metabolisme/sintetis hati. Analisis lintasan dari COVID-19 dan hati yang sehat menyarankan jalur diferensiasi dari sel HEP3 ke sel HEP3 yang sangat berdiferensiasi melalui zat antara HEP1, HEP4, dan HEP5, dengan HEP6 dan HEP7 menjadi keturunan langsung dari subset HEP2.

Lanskap seluler yang sehat dan COVID-19 menunjukkan restrukturisasi kompartemen hepatosit COVID-19, munculnya kluster HEP7 spesifik COVID-19 dari sel HEP2, dan ekspresi protein fase akut. Selanjutnya, mereka menganalisis jenis sel dan distribusi spesifik donor dari bacaan SARS-CoV-2.

Hepatosit sangat diperkaya dengan inti RNA+ SARS-CoV-2. Tingkat RNA virus berkorelasi dengan ekspresi banyak protein kejutan panas, menunjukkan aktivasi respons protein yang tidak dilipat karena stres seluler. Profil HEP4 menunjukkan aktivasi reaksi inflamasi, sesuai dengan infeksi SARS-CoV-2 pada sel epitel.

BEC mengekspresikan penanda garis keturunan dan mencakup spektrum yang luas dengan enam himpunan bagian (BEC1 hingga BEC6). Subset BEC4, BEC5, dan BEC6 menunjukkan profil berbeda yang konsisten dengan kolangiosit reaktif atau reaksi duktular pro-fibrogenik pada penyakit hati kronis. Subset BEC1, BEC2, BEC5, dan BEC6 meningkat, sementara subset BEC3 dan BEC4 menurun pada hati COVID-19 relatif terhadap kontrol yang sehat.

Kompartemen sel darah/kekebalan hati COVID-19 terdiri dari sel T, sel natural killer (NK), sel B, sel mast, dan monocytes/macrophages/Kupffer cells (KCs). Dibandingkan dengan hati yang sehat, ada restrukturisasi luas kompartemen myeloid dan sel T di hati COVID-19. Sel T CD8+ naif berkurang secara signifikan, sedangkan sel T efektor/memori sitotoksik dan populasi mirip sel T naif apoptosis diperkaya secara substansial dalam hati COVID-19.

Tidak ada perbedaan yang diamati pada KC klasik/inflamasi pada hati COVID-19. Tidak ada subset makrofag yang menunjukkan peningkatan ekspresi reseptor kemokin, menunjukkan infiltrasi kekurangan makrofag turunan monosit yang mencerminkan tingkat tropisme paru atau kelelahan kekebalan. Kompartemen sel endotel, yang membentang di 12 himpunan bagian, sangat terpengaruh pada hati COVID-19 dibandingkan dengan kontrol.

Sel mesenkim, di delapan himpunan bagian, mewakili semua garis keturunan sel utama di hati. Para penulis mengamati aktivasi fibrogenik dalam himpunan bagian mesenkim di hati COVID-19. Analisis komunikasi sel-sel dari data snRNA-seq COVID-19 menunjukkan hub interaksi multi-sel yang melibatkan hepatosit, sel endotel, dan sel mesenkim. Analisis ini mengungkapkan beragam sumber aktivasi fibrogenik pada COVID-19.

Validasi lebih lanjut dari fenotipe pro-fibrotik hati COVID-19 diberikan melalui survei histopatologis hati dari empat donor. Fibrosis sinusoidal dan aktivasi sel stellata sangat umum terjadi pada empat donor. Selain itu, tiga pasien menunjukkan reaksi duktular sedang hingga ekstensif atau proliferasi kolangiosit.

Kesimpulan

Para peneliti mengamati remodeling ekstensif lanskap seluler dan ekspresi di hati COVID-19, menunjukkan reaksi duktular, cedera hepatoseluler, fibrogenesis, dan ekspansi neo-vaskular. Hepatosit dengan RNA SARS-CoV-2 memiliki peningkatan ekspresi protein fase pro-inflamasi dan akut. Ada perubahan besar dalam komposisi dan profil ekspresi sel non-parenkim di hati COVID-19.

Pola fibrosis yang diamati tidak dapat dijelaskan oleh penyakit hati kronis yang mendasarinya saja dan mungkin disebabkan oleh efek mirip sepsis lokal dan sistemik dari COVID-19. Ekspresi/perubahan seluler yang diinduksi COVID-19 menunjukkan dampak sub-klinis tetapi mendalam dari penyakit pada hati, meskipun tidak ada cedera hati yang signifikan, dan mungkin memiliki implikasi jangka panjang pada kesehatan para penyintas COVID-19.

*Pemberitahuan Penting

bioRxiv menerbitkan laporan ilmiah awal yang tidak ditinjau oleh rekan sejawat dan, oleh karena itu, tidak boleh dianggap sebagai konklusif, memandu praktik klinis/perilaku yang berhubungan dengan kesehatan, atau diperlakukan sebagai informasi yang mapan.

Journal reference:

Pita-Juarez Y, Karagkouni D, Kalavros N, et al. (2022). A single-nucleus and spatial transcriptomic atlas of the COVID-19 liver reveals topological, functional, and regenerative organ disruption in patients. bioRxiv. doi: 10.1101/2022.10.27.514070 https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.10.27.514070v1