Prediction of Acute Graft Rejection after Liver Transplantation by Single Cell RNA Sequencing Analysis Using Peripheral Blood Mononuclear Cell

Abstract

Liver transplantation remains a definitive therapy for end-stage liver disease; however, acute allograft rejection occurs in 15–30% of recipients. Early prediction is limited by the incomplete characterization of subclinical immune alterations, and diagnosis still depends on invasive histological biopsies. Single-cell RNA sequencing and T cell receptor (TCR) repertoire analysis of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from matched liver transplant recipients before and after surgery revealed molecular signatures associated with acute rejection (AR). Patients who later developed AR exhibited distinct pre-operative immune states, including inflamed natural killer (NK) cells, clonally expanded effector memory CD8 T cells, and altered monocyte subsets. Following transplantation, these immune cells underwent rejection-specific reprogramming characterized by persistent pro-inflammatory activity and an enrichment of virus-specific CD8 T cells, despite immunosuppression. Five genes—CCL3, GZMK, MX1, RETN, and ATF3—were consistently upregulated in both pre- and post-operative AR samples. Among them, CCL3, GZMK, and MX1 were independently validated using a public large-scale liver biopsy dataset, confirming their roles in leukocyte recruitment, cytotoxicity, and antiviral response. RETN and ATF3were enriched in rejection-associated monocytes and functionally annotated as a secreted ligand and an activated transcription factor, respectively. These persistent gene signatures demonstrated strong predictive performance (AUC = 0.90) for AR. These findings provide a foundation for non-invasive risk stratification and early diagnosis of acute rejection, and highlight potential targets for personalized immunomodulatory therapy in liver transplantation. 간이식은 말기 간질환에 대한 궁극적인 치료법임. 그러나 전체 수혜자의 약 15–30%에서 급성 이식편 거부반응이 발생함. 현재까지 조기 예측은 제한적이며, 진단은 여전히 침습적인 조직생검에 의존하고 있음. 본 연구에서는 간이식 수혜자의 수술 전후 말초혈액 단핵세포(peripheral blood mononuclear cells, PBMCs)를 대상으로 단일세포 RNA 시퀀싱(single-cell RNA sequencing) 및 T세포 수용체(T cell receptor, TCR) 레퍼토리 분석을 수행하였으며, 급성 거부반응(acute rejection, AR)과 연관된 분자적 특징을 규명하였음. 거부반응이 발생한 환자들은 수술 전부터 특이적인 면역 상태를 보였으며, 염증성 자연살해세포(NK cells), 클론 확장된 effector memory CD8 T 세포, 변화된 단핵구 아형이 특징적으로 관찰되었음. 이식 후 이러한 면역세포들은 지속적인 염증 반응을 나타내었으며, 면역억제 치료 하에서도 바이러스 특이적 CD8 T 세포가 풍부하게 나타나는 등 거부반응 특이적 재프로그래밍이 일어났음. CCL3, GZMK, MX1, RETN, ATF3 등 다섯 개 유전자는 수술 전후 급성거부반응 환자 샘플에서 지속적으로 상향 조절되었음. 이 중 CCL3, GZMK, MX1은 대규모 공개 간 조직 생검 데이터셋에서도 상향 조절되어있는것이 검증되었으며, 각각 백혈구 유주, 세포독성, 항바이러스 반응과 관련된 역할을 수행함. RETN과 ATF3는 거부반응 연관 단핵구에서 각각 분비성 리간드 및 활성화 전사인자로 기능적으로 특징지어졌음. 이러한 유전자를 이용한 급성 거부반응의 예측모델은 우수한 예측 성능(AUC = 0.90)을 보였음. 본 연구결과는 간이식 후 거부반응의 비침습적 위험도 평가 및 조기 진단의 기반이 될 수 있음. 또한, 개인 맞춤형 면역조절 치료 전략 개발을 위한 단서도 제시함.