Nature子刊｜单细胞多组学揭示成人和儿童脓毒症中的解剖特异性免疫特征

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研究背景
脓毒症（Sepsis）是一种由宿主对感染失调反应引起的危及生命的器官功能障碍，占全球死亡率的19.7%。感染解剖部位（如肺部、腹部、泌尿系统等）是脓毒症结局的关键决定因素，但不同部位如何塑造免疫异质性尚不明确。
2025年12月3日，重庆医科大学附属第一医院研究团队在Nature Immunology上发表了题为 “Single-cell multi-omic landscape reveals anatomical-specific immune features in adult and pediatric sepsis” 的研究论文。本研究通过整合单细胞转录组、T细胞/B细胞受体测序（scTCR/BCR）、CITE-seq、批量RNA测序和血浆蛋白质组学，分析281名成人和儿童脓毒症患者及对照的样本，揭示患者解剖部位特异性和年龄特异性的免疫程序，为精准免疫治疗提供靶点。

文章标题

研究设计

本研究纳入队列包括255名成人和26名儿童（脓毒症患者及对照），采集外周血单核细胞（PBMCs）和血浆开展多组学检测分析。

多组学技术包括：
（1）单细胞RNA测序（scRNA-seq）用于细胞分群和转录组分析。
（2）scTCR/BCR测序解析T细胞和B细胞受体库的克隆多样性。
（3）CITE-seq联合表面蛋白检测验证细胞表型。
（4）血浆蛋白质组学量化92种炎症相关蛋白。

验证方法：通过外部单细胞和转录组测序数据集、流式细胞术、RT-PCR、ELISA及小鼠模型（如Nr4a2基因敲除和过表达模型）验证关键发现。

Fig.1 研究概述 

研究结论

1. 脓毒症患者免疫细胞亚群和异质性特征

通过单细胞转录组数据，以及单细胞T细胞受体（scTCR）和单细胞B细胞受体（scBCR）谱分析，鉴定出44个细胞亚群（Fig.2c），包括T细胞（CD4⁺、CD8⁺）、B细胞、髓系细胞、NK细胞等。通过对细胞类型比例进行定量分析（Fig.2d, 2e)显示成人脓毒症中CD8⁺T细胞和NK细胞减少，儿童肺部脓毒症中CD4⁺T细胞比例降低。

Fig.2 整体免疫细胞景观

2. 脓毒症中不同解剖来源的CD4⁺T细胞异质性

由于CD4⁺T细胞是成人中最丰富的细胞群体，该研究针对CD4⁺T细胞进行了进一步分析。鉴定7个CD4⁺T细胞亚群（Fig.3a），其中T_CD4_c02-GPR183-NR4A2（表达NR4A2的中央记忆T细胞）在腹部、肺部和皮肤脓毒症中富集，表现耗竭表型（如PD-L1、TIM-3上调）（Fig.3f）。通过伪时间分析（Fig.3h）显示该亚群在脓毒症中处于分化晚期，激活凋亡和缺氧通路。NR4A2作为T_CD4_c02-GPR183-NR4A2亚群转录因子的中心下游靶点（Fig.3m），提示其作为脓毒症免疫衰竭的核心驱动因素。为评估脓毒症期间CD4⁺T细胞中NR4A2的功能，该研究构建了两种遗传学模型（Fig.3n）：条件性敲除小鼠（Cd4-Cre⁺Nr4a2ᶠˡ/ᶠˡ ，Nr4a2ᶠˡ/ᶠˡ-cKO）和条件性过表达小鼠（Cd4-Cre⁺Rosa26-Nr4a2 ，Nr4a2-cKI）。通过盲肠结扎穿刺（CLP）模型和铜绿假单胞菌诱导建立脓毒症模型，在CLP模型中，Nr4a2-cKO小鼠表现出显著改善的生存率。在铜绿假单胞菌诱导的肺脓毒症模型中，Nr4a2-cKO小鼠再次显示出生存率提升（Fig.3o）。

Fig.3 不同解剖学来源的脓毒症成人患者CD4⁺T细胞亚群的异质性

3. GNLY-CCL4ʰⁱCD8⁺T细胞亚群在腹腔和呼吸系统脓症中的作用 
随后对成年CD8⁺T细胞进行降维分析和聚类研究,鉴定T_CD8_c05-GNLY-CCL4ʰⁱ TEMRA亚群（Fig.4b），高表达CCL4、CCL3、TNF、IFNG等细胞因子，在腹部和肺部脓毒症中扩张（Fig.4d），与预后不良相关（Fig.4f）。通路分析显示，T_ CD8_c05-GNLY-CCL4 高表达的病例在无反应性、凋亡、TNF 信号传导和细胞因子相互作用通路中富集（Fig.4m）。在不同临床亚组中，T_CD8_c05-GNLY-CCL4高表达的病例在非尿源性败血症中优先激活与炎症相关的通路（Fig.4n）。基因表达证实CCL4、CCL3和TNF在腹部和呼吸系统病例中升高（Fig.4o）。

Fig.4 GNLY-CCL4ʰⁱ促炎性CD8⁺T细胞亚群在腹部和呼吸道感染诱导的脓毒症中的扩张

4. 脓毒症中特定来源的CD14⁺⁺CD16⁻单核细胞亚群
在分析适应性免疫细胞后，该研究进一步分析了单核细胞。根据CD14和CD16表达，单核细胞分为经典型、中间型和非经典型（Fig.5a）。其中经典型（CD14⁺⁺CD16⁻）占比最高（75.9%），并进一步被分为5个亚群（Mono_c01至Mono_c05）（Fig.5b）。在内脏脓毒症患者中，Mono_c01和Mono_c05减少，Mono_c03增加，且Mono_c03增多与预后不良及C反应蛋白升高相关（Fig.5c-f）。在尿脓毒症则呈现不同的模式，Mono_c02 水平较低，而Mono_ c04水平较高（Fig.5d），提示源特异性免疫特征。

Fig.5 成人脓毒症中单核细胞亚群在不同感染源中的功能谱差异

5. 成人与儿童脓毒症免疫景观的比较分析
为对比成人与儿童脓毒症的差异，该研究针对儿童脓毒症患者来源的外周血单个核细胞（PBMCs）单细胞转录组数据进行了分析。在儿童单核细胞中发现了一个成人不存在的独特亚群—— Mono_c06-CD14-MKI67（Fig.6a）。该亚群呈现MKI67、STMN1、MPO和ELANE等基因的高表达特征（Fig.6b），这些基因在源自肺部感染的儿童脓毒症中显著上调，但在成人脓毒症中未观察到类似变化（Fig.6c-f）。GO富集分析显示其参与氧化磷酸化、细胞周期、DNA复制和谷胱甘肽代谢等过程，表明其具有高度增殖能力和活跃的代谢状态（Fig.6g）。这可能代表了儿童特异性的单核细胞应急反应。

Fig.6 儿童脓毒症中单核细胞亚群在不同感染源中的功能谱差异

6. 脓毒症亚型的血浆炎症蛋白质组
为了揭示不同感染来源脓毒症的炎症介质特征，该研究通过蛋白质组学分析平台分析了成人和儿童脓毒症患者血浆中的92种炎症蛋白。结果显示成人脓毒症中，13种蛋白（如IL-6、EN-RAGE、CCL23等）在所有感染来源中均上调（Fig.7a），其中IL-6和EN-RAGE增幅最显著（Fig.7b）,表明它们在炎症反应中可能具有核心作用；而6种蛋白（如TRAIL、SCF、TRANCE）持续下调,且不受感染解剖来源的影响（Fig.7d），表明存在不依赖于感染源的核心炎症反应。同时发现，不同解剖学来源的脓毒症具有独特蛋白表达谱，例如尿路感染来源中uPA、CXCL11等蛋白特异性上调，腹腔来源中CCL25显著下调。在儿童腹部和肺部脓毒症中（Fig.7e-g），同样出现IL-6、CCL23、EN-RAGE等蛋白上调（Fig.7e），以及TRAIL、SCF、TRANCE等蛋白下调（Fig.7f），与成人模式相似。因此说明脓毒症患者存在跨年龄和感染源的核心炎症反应，同时不同感染部位具有特异性蛋白表达特征。

Fig.7 蛋白质组学分析揭示了成人与儿童脓毒症中独特且共有的蛋白质表达谱

7. 免疫亚群的跨数据集与实验验证
为验证研究结果的可重复性，该研究系统性地分析了公开的单细胞RNA 测序数据集（Fig.8a-c）。在包含大量样本的公共单细胞RNA测序数据中，证实了关键T细胞亚群（如T_CD4_c02-GPR183-NR4A2、T_CD8_c05-GNLY-CCL4ʰⁱ）和单核细胞亚群（如Mono_c03-CD14-RETN、Mono_c02-CD14-IL1B）不仅在脓毒症，也在COVID-19等其他感染或免疫激活状态下出现规律性变化（Fig.8d-e），表明这些亚群是跨感染的共同免疫特征。
进一步，对多个独立批量转录组数据集的分析显示，特定免疫亚群与已知的脓毒症分子表型（MARS1免疫抑制型和MARS2促炎型）相关联，并提示T_CD4_c02-GPR183-NR4A2等亚群可能是免疫抑制表型的细胞媒介。
为了独立验证单细胞来源的研究结果，该研究建立了一个由122名成人和42名儿童组成的外部验证队列。通过流式细胞术和分子检测（RT-PCR、ELISA）证实，关键的促炎/细胞毒性淋巴细胞亚群（如T_CD8_c05_GNLY_CCL4ʰⁱ、NK_c03_PRFl_CCL4ʰⁱ）在成人脓毒症（尤其是腹腔和呼吸道来源）中持续扩增（Fig.8f），并具有更强的炎症因子分泌功能。
最后，为了将多组学层次整合到一个统一的统计框架中，该研究在包含单细胞RNA测序、CITE测序、单细胞T细胞受体/BCR 库、批量RNA测序和血浆蛋白质组学的配对数据集上进行了多组学因子分析（MOFA）。识别出两个核心的免疫变异轴：（1）因子2（促炎程序）：在腹部和呼吸道脓毒症中富集，由前述的促炎淋巴细胞和单核细胞亚群驱动，特征基因包括CCL3、CCL4、TNF、IFNG。（2）因子3（保护性程序）：在危重疾病中减弱，涉及细胞毒性T细胞和抗原呈递单核细胞（Mono_c01-CD14-HLA-DRA），并与某些特定蛋白相关。

Fig.8 在外部单细胞RNA测序数据集及独立队列中验证关键免疫细胞亚群

总结与展望
本研究采用多组学策略（单细胞RNA测序、CITE测序、单细胞T细胞受体/ BCR 库、批量RNA测序和血浆蛋白质组学），全景式描绘了不同感染源与年龄组脓毒症患者的免疫图谱，并鉴定出多个功能各异的免疫细胞亚群。研究发现，解剖感染部位和患者年龄共同塑造了脓毒症的免疫应答，其中既存在跨群体的共同模式，也呈现显著的源头特异性。这些关键免疫亚群，不仅深化了对脓毒症免疫异质性的理解，更具备作为新型生物标志物或治疗靶点的转化潜力。
研究背景
脓毒症（Sepsis）是一种由宿主对感染失调反应引起的危及生命的器官功能障碍，占全球死亡率的19.7%。感染解剖部位（如肺部、腹部、泌尿系统等）是脓毒症结局的关键决定因素，但不同部位如何塑造免疫异质性尚不明确。
2025年12月3日，重庆医科大学附属第一医院研究团队在Nature Immunology上发表了题为 “Single-cell multi-omic landscape reveals anatomical-specific immune features in adult and pediatric sepsis” 的研究论文。本研究通过整合单细胞转录组、T细胞/B细胞受体测序（scTCR/BCR）、CITE-seq、批量RNA测序和血浆蛋白质组学，分析281名成人和儿童脓毒症患者及对照的样本，揭示患者解剖部位特异性和年龄特异性的免疫程序，为精准免疫治疗提供靶点。

文章标题

研究设计

本研究纳入队列包括255名成人和26名儿童（脓毒症患者及对照），采集外周血单核细胞（PBMCs）和血浆开展多组学检测分析。

多组学技术包括：
（1）单细胞RNA测序（scRNA-seq）用于细胞分群和转录组分析。
（2）scTCR/BCR测序解析T细胞和B细胞受体库的克隆多样性。
（3）CITE-seq联合表面蛋白检测验证细胞表型。
（4）血浆蛋白质组学量化92种炎症相关蛋白。

验证方法：通过外部单细胞和转录组测序数据集、流式细胞术、RT-PCR、ELISA及小鼠模型（如Nr4a2基因敲除和过表达模型）验证关键发现。

Fig.1 研究概述 

研究结论

1. 脓毒症患者免疫细胞亚群和异质性特征

通过单细胞转录组数据，以及单细胞T细胞受体（scTCR）和单细胞B细胞受体（scBCR）谱分析，鉴定出44个细胞亚群（Fig.2c），包括T细胞（CD4⁺、CD8⁺）、B细胞、髓系细胞、NK细胞等。通过对细胞类型比例进行定量分析（Fig.2d, 2e)显示成人脓毒症中CD8⁺T细胞和NK细胞减少，儿童肺部脓毒症中CD4⁺T细胞比例降低。

Fig.2 整体免疫细胞景观

2. 脓毒症中不同解剖来源的CD4⁺T细胞异质性

由于CD4⁺T细胞是成人中最丰富的细胞群体，该研究针对CD4⁺T细胞进行了进一步分析。鉴定7个CD4⁺T细胞亚群（Fig.3a），其中T_CD4_c02-GPR183-NR4A2（表达NR4A2的中央记忆T细胞）在腹部、肺部和皮肤脓毒症中富集，表现耗竭表型（如PD-L1、TIM-3上调）（Fig.3f）。通过伪时间分析（Fig.3h）显示该亚群在脓毒症中处于分化晚期，激活凋亡和缺氧通路。NR4A2作为T_CD4_c02-GPR183-NR4A2亚群转录因子的中心下游靶点（Fig.3m），提示其作为脓毒症免疫衰竭的核心驱动因素。为评估脓毒症期间CD4⁺T细胞中NR4A2的功能，该研究构建了两种遗传学模型（Fig.3n）：条件性敲除小鼠（Cd4-Cre⁺Nr4a2ᶠˡ/ᶠˡ ，Nr4a2ᶠˡ/ᶠˡ-cKO）和条件性过表达小鼠（Cd4-Cre⁺Rosa26-Nr4a2 ，Nr4a2-cKI）。通过盲肠结扎穿刺（CLP）模型和铜绿假单胞菌诱导建立脓毒症模型，在CLP模型中，Nr4a2-cKO小鼠表现出显著改善的生存率。在铜绿假单胞菌诱导的肺脓毒症模型中，Nr4a2-cKO小鼠再次显示出生存率提升（Fig.3o）。

Fig.3 不同解剖学来源的脓毒症成人患者CD4⁺T细胞亚群的异质性

3. GNLY-CCL4ʰⁱCD8⁺T细胞亚群在腹腔和呼吸系统脓症中的作用 
随后对成年CD8⁺T细胞进行降维分析和聚类研究,鉴定T_CD8_c05-GNLY-CCL4ʰⁱ TEMRA亚群（Fig.4b），高表达CCL4、CCL3、TNF、IFNG等细胞因子，在腹部和肺部脓毒症中扩张（Fig.4d），与预后不良相关（Fig.4f）。通路分析显示，T_ CD8_c05-GNLY-CCL4 高表达的病例在无反应性、凋亡、TNF 信号传导和细胞因子相互作用通路中富集（Fig.4m）。在不同临床亚组中，T_CD8_c05-GNLY-CCL4高表达的病例在非尿源性败血症中优先激活与炎症相关的通路（Fig.4n）。基因表达证实CCL4、CCL3和TNF在腹部和呼吸系统病例中升高（Fig.4o）。

Fig.4 GNLY-CCL4ʰⁱ促炎性CD8⁺T细胞亚群在腹部和呼吸道感染诱导的脓毒症中的扩张

4. 脓毒症中特定来源的CD14⁺⁺CD16⁻单核细胞亚群
在分析适应性免疫细胞后，该研究进一步分析了单核细胞。根据CD14和CD16表达，单核细胞分为经典型、中间型和非经典型（Fig.5a）。其中经典型（CD14⁺⁺CD16⁻）占比最高（75.9%），并进一步被分为5个亚群（Mono_c01至Mono_c05）（Fig.5b）。在内脏脓毒症患者中，Mono_c01和Mono_c05减少，Mono_c03增加，且Mono_c03增多与预后不良及C反应蛋白升高相关（Fig.5c-f）。在尿脓毒症则呈现不同的模式，Mono_c02 水平较低，而Mono_ c04水平较高（Fig.5d），提示源特异性免疫特征。

Fig.5 成人脓毒症中单核细胞亚群在不同感染源中的功能谱差异

5. 成人与儿童脓毒症免疫景观的比较分析
为对比成人与儿童脓毒症的差异，该研究针对儿童脓毒症患者来源的外周血单个核细胞（PBMCs）单细胞转录组数据进行了分析。在儿童单核细胞中发现了一个成人不存在的独特亚群—— Mono_c06-CD14-MKI67（Fig.6a）。该亚群呈现MKI67、STMN1、MPO和ELANE等基因的高表达特征（Fig.6b），这些基因在源自肺部感染的儿童脓毒症中显著上调，但在成人脓毒症中未观察到类似变化（Fig.6c-f）。GO富集分析显示其参与氧化磷酸化、细胞周期、DNA复制和谷胱甘肽代谢等过程，表明其具有高度增殖能力和活跃的代谢状态（Fig.6g）。这可能代表了儿童特异性的单核细胞应急反应。

Fig.6 儿童脓毒症中单核细胞亚群在不同感染源中的功能谱差异

6. 脓毒症亚型的血浆炎症蛋白质组
为了揭示不同感染来源脓毒症的炎症介质特征，该研究通过蛋白质组学分析平台分析了成人和儿童脓毒症患者血浆中的92种炎症蛋白。结果显示成人脓毒症中，13种蛋白（如IL-6、EN-RAGE、CCL23等）在所有感染来源中均上调（Fig.7a），其中IL-6和EN-RAGE增幅最显著（Fig.7b）,表明它们在炎症反应中可能具有核心作用；而6种蛋白（如TRAIL、SCF、TRANCE）持续下调,且不受感染解剖来源的影响（Fig.7d），表明存在不依赖于感染源的核心炎症反应。同时发现，不同解剖学来源的脓毒症具有独特蛋白表达谱，例如尿路感染来源中uPA、CXCL11等蛋白特异性上调，腹腔来源中CCL25显著下调。在儿童腹部和肺部脓毒症中（Fig.7e-g），同样出现IL-6、CCL23、EN-RAGE等蛋白上调（Fig.7e），以及TRAIL、SCF、TRANCE等蛋白下调（Fig.7f），与成人模式相似。因此说明脓毒症患者存在跨年龄和感染源的核心炎症反应，同时不同感染部位具有特异性蛋白表达特征。

Fig.7 蛋白质组学分析揭示了成人与儿童脓毒症中独特且共有的蛋白质表达谱

7. 免疫亚群的跨数据集与实验验证
为验证研究结果的可重复性，该研究系统性地分析了公开的单细胞RNA 测序数据集（Fig.8a-c）。在包含大量样本的公共单细胞RNA测序数据中，证实了关键T细胞亚群（如T_CD4_c02-GPR183-NR4A2、T_CD8_c05-GNLY-CCL4ʰⁱ）和单核细胞亚群（如Mono_c03-CD14-RETN、Mono_c02-CD14-IL1B）不仅在脓毒症，也在COVID-19等其他感染或免疫激活状态下出现规律性变化（Fig.8d-e），表明这些亚群是跨感染的共同免疫特征。
进一步，对多个独立批量转录组数据集的分析显示，特定免疫亚群与已知的脓毒症分子表型（MARS1免疫抑制型和MARS2促炎型）相关联，并提示T_CD4_c02-GPR183-NR4A2等亚群可能是免疫抑制表型的细胞媒介。
为了独立验证单细胞来源的研究结果，该研究建立了一个由122名成人和42名儿童组成的外部验证队列。通过流式细胞术和分子检测（RT-PCR、ELISA）证实，关键的促炎/细胞毒性淋巴细胞亚群（如T_CD8_c05_GNLY_CCL4ʰⁱ、NK_c03_PRFl_CCL4ʰⁱ）在成人脓毒症（尤其是腹腔和呼吸道来源）中持续扩增（Fig.8f），并具有更强的炎症因子分泌功能。
最后，为了将多组学层次整合到一个统一的统计框架中，该研究在包含单细胞RNA测序、CITE测序、单细胞T细胞受体/BCR 库、批量RNA测序和血浆蛋白质组学的配对数据集上进行了多组学因子分析（MOFA）。识别出两个核心的免疫变异轴：（1）因子2（促炎程序）：在腹部和呼吸道脓毒症中富集，由前述的促炎淋巴细胞和单核细胞亚群驱动，特征基因包括CCL3、CCL4、TNF、IFNG。（2）因子3（保护性程序）：在危重疾病中减弱，涉及细胞毒性T细胞和抗原呈递单核细胞（Mono_c01-CD14-HLA-DRA），并与某些特定蛋白相关。

Fig.8 在外部单细胞RNA测序数据集及独立队列中验证关键免疫细胞亚群

总结与展望
本研究采用多组学策略（单细胞RNA测序、CITE测序、单细胞T细胞受体/ BCR 库、批量RNA测序和血浆蛋白质组学），全景式描绘了不同感染源与年龄组脓毒症患者的免疫图谱，并鉴定出多个功能各异的免疫细胞亚群。研究发现，解剖感染部位和患者年龄共同塑造了脓毒症的免疫应答，其中既存在跨群体的共同模式，也呈现显著的源头特异性。这些关键免疫亚群，不仅深化了对脓毒症免疫异质性的理解，更具备作为新型生物标志物或治疗靶点的转化潜力。
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