從輕微的頭痛和頭暈到可能改變生活的癲癇和中風，COVID對大腦的影響是不容忽視的，這種影響也被稱為Neuro-COVID^[1,2]。最近對COVID住院患者的一項調查報告稱，多達80%的研究參與者經歷了至少一種新的神經系統癥狀，其中55%的人曾對該癥狀進行過臨床評估^[3]。

• Neuro-COVID是中樞神經系統（CNS）直接受損的一種結果嗎？
• 失調的免疫反應是罪魁禍首嗎？
• 它是否表現為感染并發癥（如缺氧）的間接后果？

以上這些都是全球研究人員一直在試圖解決的問題。在本期推送中，我們將介紹2個通過單細胞測序技術研究Neuro-COVID的案例。

案例1：Neuro-COVID中的免疫介導機制

Heming等人對免疫系統如何促成Neuro-COVID進行了研究。旨在創建這些患者腦脊液（CSF）的無偏單細胞轉錄圖譜^[4]。他們評估了8名Neuro-COVID患者腦脊液中細胞的轉錄譜。還對來自病毒性腦炎（VE；5名患者）、多發性硬化癥（MS；9名患者）和特發性顱內高壓（IIH；9名患者）患者的樣本進行了分析，共產生了80,919個單細胞轉錄組。

研究人員比較了使用單細胞測序技術產生的細胞簇組成，發現Neuro-COVID患者的CSF包含在IIH和VE樣本中未見的擴大的單核細胞樣簇。這種單核細胞樣簇表現出增強的抗原呈遞特征，但降低了小膠質細胞基因組、泛單核細胞標記和邊界相關巨噬細胞標記的表達。因此，這些細胞可能分化到一個類似于發育巨噬細胞的程度。

接下來，研究人員評估Neuro-COVID的轉錄變化特征。干擾素驅動的轉錄本和耗盡的T細胞群在Neuro-COVI樣本中有所增加。然而，這種增加的抗病毒轉錄反應不如VE中所見的那么強。與VE相比，Neuro-COVID樣本確實顯示出與穩態小膠質細胞/邊界相關巨噬細胞相關的基因的更高表達。進一步的分析表明，與較輕的COVID病例相比，嚴重的COVID病例與潛在的抗病毒反應受損相關。最后，使用單細胞免疫分析測定的T細胞受體測序表明，嚴重的Neuro-COVID與廣泛的克隆T細胞擴增有關。

案例2：對大腦的直接損害

Heming等人的研究中強調了“這些可疑的Neuro-COVID發展機制并不相互排斥，并且可能在個體患者中共存。”畢竟，生物學機制如果不復雜，那也就意味著沒有研究價值了。2020年的一些研究提供了在某些腦細胞中可檢測到SARS-CoV-2病毒以及大腦免疫細胞激活的證據，這也可能是導致Neuro-Covid出現危險的神經炎癥特征的一個因素^[5-7]。

然而，由于缺乏可用的腦組織和細胞樣本，使得研究COVID對大腦的影響變得復雜。因此，Wang等人開始創建一個體外模型，該模型由分化為周細胞樣細胞（PLCs）的人類多能干細胞（hPSCs）創建，可用于研究腦細胞的SARS-CoV-2感染^[8]。周細胞是與神經元分化、神經炎癥和血腦屏障通透性相關的腦細胞^[9]，正如作者所證明的，周細胞表達ACE2 RNA和蛋白質，可以感染SARS-CoV-2。

為了創造一個更具生理相關性的環境來研究這些細胞的SARS-CoV-2感染，研究人員生成了一個3D“組裝體”，其中PLC與皮質腦類器官集成在一起。一旦整合到組裝體中，PLC就被確定為與星形膠質細胞相互作用，其方式與它們在大腦神經血管單元中的相互作用非常相似。

單細胞測序用于在存在和不存在SARS-CoV-2感染時對這些組裝體進行表征。有趣的是，只有在PLC存在的情況下，才能主要在類器官的星形膠質細胞中檢測到SARS-CoV-2，這表明星形膠質細胞感染是由PLC介導的。進一步的研究表明，受感染的星形膠質細胞表現出受I型干擾素途徑控制的炎癥和基因毒性應激反應。這些發現支持這樣一種觀點，即病毒復制中心可能存在于大腦中，允許病毒感染傳播到神經細胞，換句話說，允許直接損傷。

對于Neuro-COVID的研究才剛剛開始

隨著COVID病例的持續存在和新變種的出現，了解這些神經系統癥狀的根源對于幫助患者在初始感染后很長時間內的恢復至關重要，特別是因為這些表現通常會影響到COVID初次感染后很長一段時間里出現的健康問題^[10]。正如這兩項研究所證明的，單細胞測序正在成為了解CNS樣本中這一復雜過程的重要工具。

參考文獻：

• [1] Ellul MA, et al. Neurological associations of COVID-19. Lancet Neurol 19: 767–783 (2020). doi: 10.1016/S1474-4422(20)30221-0

• [2] Marshall M. COVID and the brain: researchers zero in on how damage occurs. Nature 595: 484–485 (2021). doi: 10.1038/d41586-021-01693-6

• [3] Chou SHY, et al. Global incidence of neurological manifestations among patients hospitalized with COVID-19-A report for the GCS-NeuroCOVID Consortium and the ENERGY Consortium. JAMA Netw Open 4:e2112131 (2021). doi: 10.1001/jamanetworkopen.2021.12131

• [4] Heming M, et al. Neurological manifestations of covid-19 feature T cell exhaustion and dedifferentiated monocytes in cerebrospinal fluid. Immunity 54:164–175.e6 (2021). doi: 10.1016/j.immuni.2020.12.011

• [5] Matschke J, et al. Neuropathology of patients with COVID-19 in Germany: a post-mortem case series. Lancet Neurol 19: 919–929 (2020). doi: 10.1016/S1474-4422(20)30308-2

• [6] Meinhardt J, et al. Olfactory transmucosal SARS-CoV-2 invasion as a port of central nervous system entry in individuals with COVID-19. Nat Neurosci 24:168–175 (2020). doi: 10.1038/s41593-020-00758-5

• [7] Kantonen J, et al. Neuropathologic features of four autopsied COVID-19 patients. Brain Pathol 30: 1012–1016 (2020). doi: 10.1111/bpa.12889

• [8] Wang L, et al. A human three-dimensional neural-perivascular ‘assembloid’ promotes astrocytic development and enables modeling of SARS-CoV-2 neuropathology. Nat Med 27: 1600–1606 (2021). doi: 10.1038/s41591-021-01443-1  

• [9] Sweeney M, Ayyadurai S & Zlokovic B. Pericytes of the neurovascular unit: key functions and signaling pathways. Nat Neurosci 19, 771–783 (2016). doi: 10.1038/nn.4288

• [10] The Lancet Neurology. Long COVID: understanding the neurological effects. Lancet Neurol 20: 247 (2021). doi: 10.1016/S1474-4422(21)00059-4