The respiratory system is composed of different tissues with their respective cell types that together work in concert to perform air conductance and gas exchange. With the advent of single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq), it is now possible to comprehensively interrogate the function of each individual cell in homeostatic and diseased states. In this dissertation, various roles of epithelial, mesenchymal, and immune cell types of the respiratory system in idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and corona virus disease 2019 (COVID-19) were investigated with scRNA-seq.
IPF is a chronic interstitial lung disease characterized by the progressive scarring of the lung parenchyma. Previous studies that surveyed the cellular landscape of IPF lungs utilized explant lungs that reflect end-stage fibrosis. To uncover disease mechanisms of airway cell types in early-stage fibrosis, air-liquid interface (ALI) cultures of primary cells taken from newly diagnosed IPF patients were used. This identified proinflammatory epithelial cells, profibrotic basal cells, and primed fibroblasts as early-stage drivers of IPF. Treatment with antifibrotic compounds nintedanib, pirfenidone, and saracatinib fail to completely ameliorate the identified signatures.
With the emergence of the COVID-19 pandemic and its extensive public health burden, it was imperative to understand the molecular mechanisms of viral entry and disease pathology to identify potential risk factors and therapeutic targets. In the early stages of the pandemic, viral entry factors ACE2, TMPRSS2, and FURIN were found to be expressed by a transient secretory cell type (differentiating from secretory to ciliated cell) of the airway mucosa and by alveolar type 2 cells of the alveolar epithelium. With further investigation of severe COVID-19, the early-stage of COVID-19 infection characterized itself with a hyperactivated immune response mediated by proinflammatory macrophages. On the other hand, late-stage COVID-19, especially those with acute respiratory distress syndrome (ARDS), was characterized by an accumulation of profibrotic macrophages and activated myofibroblasts that drove pulmonary scarring and fibrosis.
Although IPF and COVID-19 are different diseases by their own right, they share a commonality in aberrant wound healing responses. Both diseases are characterized by tissue inflammation that is followed by a profibrotic phase. Unlike in IPF where the tissue remodeling is progressive and chronic, COVID-19 ARDS-associated fibrosis undergoes a resolution phase. Future studies comparing the cellular and transcriptional landscape of both conditions in early and late stages of disease will uncover pathogenic mechanisms and therapeutic targets of lung fibrosis.
The application of high-resolution transcriptomic profiling techniques such as scRNA-seq permits the interrogation of individual cell types and their direct contribution to the development of diseases. Moreover, it allows the comparison and transfer of identified pathomechanisms across different pulmonary diseases and, in doing so, provides deeper and generalizable insights. As this field continues to evolve, it will undoubtedly continue to provide a deeper understanding of respiratory diseases.
Das respiratorische System setzt sich aus verschiedenen Geweben und ihren zugrundeliegenden Zelltypen zusammen, die gemeinsam Luftaufnahme und Gasaustausch gewährleisten. Mit dem Aufkommen der Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) ist es nun möglich, die Funktion jeder einzelnen Zelle in homöostatischen und kranken Zuständen umfassend zu untersuchen. In dieser Dissertation wurden verschiedene Rollen von Epithel-, Mesenchymal- und Immunzelltypen des Atmungssystems bei idiopathischer Lungenfibrose (IPF) und der Coronavirus-Krankheit-2019 (COVID-19) mit scRNA-seq untersucht.
IPF ist eine chronische interstitielle Lungenerkrankung, die durch eine fortschreitende Vernarbung des Lungenparenchyms gekennzeichnet ist. Frühere Studien, die die Zellkomposition von IPF-Lungen untersuchten, verwendeten Lungenexplantate, die das Endstadium der Fibrose widerspiegeln. Um Krankheitsmechanismen von Atemwegszelltypen im Frühstadium der Fibrose aufzudecken, wurden Air-Liquid-Interface (ALI)-Kulturen von primären Zellen verwendet, die frisch diagnostizierten IPF-Patienten entnommen wurden. Dabei wurden proinflammatorische Epithelzellen, profibrotische Basalzellen und aktivierte Fibroblasten als treibende Kräfte im Frühstadium der IPF identifiziert. Die Behandlung mit den antifibrotischen Wirkstoffen Nintedanib, Pirfenidon und Saracatinib führte nicht zu einer vollständigen Verbesserung der identifizierten Signaturen.
Mit dem Beginn der COVID-19-Pandemie und ihrer großen Belastung für die öffentliche Gesundheit war es unerlässlich, die molekularen Mechanismen des Viruseintritts und der Krankheitspathologie zu verstehen, um potenzielle Risikofaktoren und therapeutische Ansätze zu identifizieren. In den frühen Stadien der Pandemie wurde festgestellt, dass die viralen Eintrittsfaktoren ACE2, TMPRSS2 und FURIN von einem vorübergehenden sekretorischen Zelltyp (der sich von sekretorischen zu ziliierten Zellen differenziert) der Atemwegsschleimhaut und von Typ-2 -Pneumozyten des Alveolarepithels exprimiert werden. Bei der weiteren Untersuchung von schweren COVID-19 Verläufen zeigte sich, dass das Frühstadium der COVID-19-Infektion durch eine hyperaktivierte Immunantwort charakterisiert ist, die durch proinflammatorische Makrophagen vermittelt wird. Andererseits war das Spätstadium der COVID-19-Infektion, insbesondere bei Patienten mit akutem Atemnotsyndrom (ARDS), durch eine Anhäufung von profibrotischen Makrophagen und aktivierten Myofibroblasten gekennzeichnet, die die pulmonale Narbenbildung und Fibrose vorantrieben.
Obwohl es sich bei IPF und COVID-19 um unterschiedliche Krankheiten handelt, ähneln sie sich in ihrer gestörten Wundheilung. Beide Krankheiten sindS durch eine Gewebeentzündung gekennzeichnet, auf die eine profibrotische Phase folgt. Im Gegensatz zur IPF, bei der die Gewebeveränderung fortschreitend und chronisch ist, durchläuft die COVID-19 ARDS-assoziierte Fibrose eine Reparationsphase. Zukünftige Studien, die die zelluläre und transkriptionelle Landschaft beider Erkrankungen in frühen und späten Stadien vergleichen, werden pathogene Mechanismen und therapeutische Ansätze der Lungenfibrose aufdecken können.
Die Anwendung hochauflösender transkriptomischer Sequenzierung wie scRNA-seq ermöglicht die Untersuchung einzelner Zelltypen und ihren Beitrag zur Entstehung von Krankheiten. Darüber hinaus ermöglicht sie den Vergleich und die Übertragbarkeit identifizierter Pathomechanismen über verschiedene Lungenkrankheiten hinweg und liefert so tiefere und generalisierbare Erkenntnisse. Da sich dieses Feld stetig weiter entwickelt, wird es zweifellos auch weiterhin zu einem tieferen Verständnis von Atemwegserkrankungen beitragen.
