Monocytes and NK Cells Modulate Therapeutic Outcomes in Severe COVID-19: A Single-Cell RNA Sequencing Study

Abstract

Severe COVID-19 infection is characterized by a profoundly dysregulated immune response, including hyperactivation and functional impairment of immune cells along with an excessive inflammatory response. Corticosteroid tocilizumab is used in accordance with guidelines to improve the prognosis of patients with severe COVID-19. However, the differences in drug response among patients remain a challenge to be addressed. This study aims to identify the molecular and cellular determinants that cause differences in treatment outcomes in the combination therapy of tocilizumab, dexamethasone, and remdesivir in patients with severe COVID-19 using single-cell RNA sequencing. From June 2021 to January 2022, blood samples were collected from 17 matched patients with severe COVID-19 at a tertiary hospital according to age, gender, and WHO Clinical Progression Scale. Patients were categorized into two groups: ten recovered without deterioration, and seven required intubations due to respiratory failure. Samples were taken on day 1 and day 7. Dropkick was employed to process and analyze single-cell ribonucleic acid sequencing data derived from Peripheral Blood Mononuclear Cells. Heatmaps of differentially expressed genes were generated using the Complex Heatmap package, while Gene Ontology enrichment analysis was performed using the Enrichr tool from Ma’ayan lab, integrated into Seurat (versions 3.9 and 4). This study compared differences in immune cells between patient groups by examining patients with good prognosis (day 1 [n=13,580] and day 7 [n=14,017]) and patients with poor prognosis (day 1 [n=13,747] and day 7 [n=13,630]) after TDR treatment. In the poor prognosis group, the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor signaling pathway and natural killer (NK) cell-mediated cytotoxicity were downregulated after TDR treatment. However, inflammatory macrophage related lysosome, phagosome, and apoptosis pathways persistently remained upregulated. On the other hand, the good prognosis group showed increased NK cell-mediated cytotoxicity and decreased inflammatory macrophage related pathways after TDR treatment. Additionally, the good prognosis group exhibited elevated expression of genes linked to T cell receptor activation, signaling pathways, and differentiation processes related to immune regulation. In conclusion, the suppression of the hyperinflammatory pathway by macrophages and the enhancement of natural killer cell-mediated cytotoxicity, along with the adaptive immune response induced by T cells, emphasize the importance of maintaining a well-regulated immune balance in the management of severe COVID-19 cases.

중증 코로나19 감염은 과도한 염증 반응과 함께 면역 세포의 과잉 활성화 및 기능 장애를 포함한 심각한 면역 반응 조절 장애가 특징입니다. 코르티코스테로이드와 토실리주맙은 중증 코로나19 환자의 예후를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 환자마다 약물 반응의 차이가 존재한다는 것은 여전히 해결해야 할 과제입니다. 이 연구는 단일 세포 유전체 분석을 활용하여 중증 코로나19 환자에서 토실리주맙, 덱사메타손, 렘데시비르의 병용 요법에 대한 치료 결과의 차이를 유발하는 분자 및 세포 결정 요인을 밝혀내고자 합니다. 연령, 성별, 세계보건기구 임상 진행 척도의 유의미한 차이가 없는 17명의 중증코로나19 환자의 혈액 샘플을 2021년 6월부터 2022년 1월까지 3차 병원에서 수집했습니다. 환자는 두 그룹으로 분류되었습니다: 10명은 악화 없이 회복되었고, 7명은 호흡부전으로 인해 기도 삽관이 필요했습니다. 샘플은 1일차와 7일차에 채취했습니다. Dropkick을 사용하여 말초혈액 단핵세포에서 추출한 단일세포 리보핵산 시퀀싱 데이터를 처리하고 분석했습니다. 차등 발현된 유전자의 히트맵은 Complex Heatmap 패키지를 사용하여 생성되었으며, 유전자 온톨로지 농축 분석은 Seurat(버전 3.9 및 4)에 통합된 Ma'ayan 연구소의 Enrichr 도구를 사용하여 수행되었습니다. 이 연구는 토실리주맙, 덱사메타손, 렘데시비르 치료 후 좋은 예후(1일째[n=13,580]와 7일째[n=14,017])와 나쁜 예후 환자(1일째[n=13,747]와 7일째[n=13,630])를 조사하여 환자 그룹 간의 면역 세포 구성 차이를 비교했습니다. 예후가 좋지 않은 그룹에서는 치료 후 뉴클레오타이드 결합 올리고머화 도메인 유사 수용체 신호 전달 경로와 자연살해 세포 매개 세포 독성이 하향 조절되었습니다. 그러나 염증성 대식세포 관련 리소좀, 식세포, 세포자멸 경로가 지속적으로 상향 조절되었습니다. 반면, 예후가 좋은 그룹에서는 치료 후 자연살해 세포 매개 세포 독성이 증가하고 염증성 대식세포 관련 경로가 감소했습니다. 또한, 예후가 좋은 그룹은 T세포 수용체 활성화, 신호 전달 경로, 면역 조절과 관련된 분화 과정과 관련된 유전자의 발현이 증가했습니다. 결론적으로, T세포에 의해 유도된 적응성 면역 반응과 함께 대식세포에 의한 과염증 경로 억제 및 자연살해세포 매개 세포 독성 강화는 중증 코로나19 사례 관리에 있어 잘 조절된 면역 균형을 유지하는 것이 중요하다는 것을 강조합니다.