1. A COVID-19 autopsy cohort and biobank
2. COVID-19 cell atlases
该研究采集了在麻省总医院、布列根和妇女医院以及贝斯以色列女执事医疗中心接受治疗并死于新冠肺炎的32名病人的420份尸检样本，构成了一个覆盖11种器官的COVID-19尸检生物样本库。利用这个生物样本库，作者生成了COVID-19肺、肾、肝和心脏组织的单细胞（核）图谱以及肺的空间图谱（图1）。这些单细胞及空间图谱为揭示新冠肺炎病毒导致人体器官衰竭以及最终死亡的病理提供了重要依据。
Fig 1
3. A cell census of the COVID-19 lung
4. Changes in lung cell composition
作者首先对COVID-19的肺部组织单细胞（核）进行分析。利用自动细胞类型识别工具，作者鉴定出了28种细胞亚群。作者还进行了COVID-19肺部组织图谱和健康肺部组织图谱的对比。通过这种对比，可以发现患者的II型肺泡细胞（AT2）数量显著减少。这有可能是病毒引起的细胞死亡导致的。同时，患者的树突状细胞，巨噬细胞，自然杀伤细胞，成纤维细胞以及内皮细胞数量都有所上升。
Fig 2
5. Induced programs in epithelial cells
通过对COVID-19及健康肺图谱中II型肺泡细胞的基因表达量进行比较，作者发现多种细胞都出现了显著的转录改变。最明显的是CD16+ monocytes (1,580上调基因), lymphatic endothelial (578), vascular endothelial(317), AT2 (309), AT1 (307) cells。在AT2上皮细胞中，作者还发现与宿主病毒反应相关的基因在COVID-19样本中高表达。这些基因包括了与程序性细胞死亡相关的基因STAT1，以及与炎症和适应性免疫反应相关的基因。相反，与肺表面活性相关的的基因（如SFTPA1，SFTPA2,SFTPC等）则表达得更少。
6. Failed paths for AT1 cell regeneration
PATS (pre-alveolar type 1 transitional cell state)是II型肺泡细胞向I型肺泡细胞转变过程中的一种过渡细胞类型。这种过渡类型在受伤的肺部更为常见（比如特发性肺纤维化）。通过与健康肺组织的对比，作者发现新冠肺炎患者的肺细胞中存在更多的PATS基因表达。这与重症新冠肺炎表现出的肺纤维化症状一致。有趣的是，一小部分的PATS细胞同时表达了基因KRT5/TP63/KRT17。这些PATS细胞有可能是TP63+IPBLP（intrapulmonary basal-like progenitor cells）细胞。IPBLP细胞存在于远端呼吸道，是肺泡严重受损时的紧急细胞储备。这一现象此前只在H1N1流感的小鼠模型中观察到过。（这必须得对肺的组织细胞类型有一个很深入的了解才行）
基于这些观察，作者提出了一个关于肺泡表皮细胞再生的模型（g）：在健康的肺泡中，II型肺泡细胞会自我再生（1）。当负责呼吸与气体交换的I型肺泡细胞减少时，II型肺泡细胞会尝试通过转分化的过程转化成I型肺泡细胞（2）。但是在COVID-19的肺泡中，II型肺泡细胞的自我再生和向I型肺泡细胞的转化均被抑制，这导致大量处于中间状态的PATS细胞的堆积（3）。同时，作为肺部自我修复的最终尝试，在远端呼吸道的IPBLP细胞开始向肺泡迁徙（4）。当肺泡细胞的自我修复速度赶不上新冠病毒造成的破坏时，将有可能导致肺部的器官衰竭。
7. Changed cell composition with viral load
8. Lung cells enriched for SARS-CoV-2 RNA
9. Immune programs in SARS-CoV-2 RNA+ cells
接下来，作者分析了SARS-CoV-2病毒RNA在肺部细胞中的分布。作者还发现在肺部的不同细胞类型中，髓系细胞，特别是CD14highCD16high炎性单核细胞和LDB2highOSMRhighYAP1high巨噬细胞，含有更多的SARS-CoV-2病毒RNA(a)。值得注意的是，这些表达SARS-CoV-2病毒RNA的细胞并不同时表达ACE2，TMPRSS2等病毒进入因子(b)。此外，作者发现新冠病毒载量（viral load）与患者出现症状到死亡的天数负相关，这与之前相关研究的结论是相符的(c)。SARS-CoV-2 RNA+细胞和对应的SARS-CoV-2 RNA-细胞具有不同的转录特征。以髓系细胞为例，SARS-CoV-2 RNA+细胞明显高表达chemokine and cytokine signalling, and responses to interferon, TNF, intracellular pathogens and viruses相关基因(d)。
10. A spatial atlas of COVID-19 lung
11. Inflammatory activation in alveoli
除单细胞（核）图谱外，作者还通过NanoString GeoMx 数字空间分析（Digital Spatial Profiling, DSP）技术构建了尸检样本肺部细胞的空间转录组学图谱。作者通过panCK的表达将样本区域分为PanCK+和PanCK-，并通过对主要细胞类型代表基因在空间转录组中的表达分析，使用反卷积分析了每个spots（Area of Illumination, AOI）中主要细胞类型的组成。
panCK是指广谱细胞角蛋白，免疫组化/荧光panCK染色主要用于上皮与非上皮成分的鉴别诊断
在b图中我们可以看到上皮细胞（PanCK+）区域中I型肺泡细胞和II型肺泡细胞占主导地位。在非上皮细胞（PanCK-）区域中，新冠患者比HC（D22-D24）有更多的成纤维细胞和肌成纤维细胞，这和其它空间组的研究结论是一致的。
通过对新冠患者和HC的对应AOIs的转录差异以及基因富集分析，作者发现在新冠患者的样本中，IFNa和IFNr反应及氧化磷酸化通路相关基因表达显著上调，与bulk RNA-Seq of highly infected tissue (IFIT1, IFIT3, IDO1, GZMB, LAG3, NKG7 and PRF1) 和 SARS-CoV-2+ myeloid cells (TNFAIP6, CXCL11, CCL8, ISG1 and GBP5)以及PANoptosis in a COVID-19 model相一致。而TNF、IL2-STAT5、TGFb信号通路、apical junction和缺氧通路相关基因表达显著下降。
作者还对比了在同一尸检样本中比较了inflamed 和 normal-appearing AOIs，发现inflamed区域中与先天免疫和炎症 (包括中性粒细胞脱粒、IFN信号和白介素信号通路) 相关的基因表达显著上调。相应地，Claudins和tight junction通路相关基因表达下降，表明发炎区域的肺泡屏障有所损毁。此外，对比患者中SARS-CoV-2病毒含量高的AOIs（高组）与SARS-CoV-2病毒含量低的AOIs（低组），可以发现病毒基因ORF1ab、S，以及趋化因子基因 (CXCL2和CXCL3) 的表达量在高组均有显著上升。值得注意的是，负责编码胞质型5'（3'）-脱氧核糖核苷酸酶的基因NT5C的表达量在高组也有显著提升。该基因之前并未被发现与肺部损伤有关。对NT5C的后续研究将会为了解此基因在新冠肺炎中的作用铺平道路。
12. COVID-19 effect on heart, kidney and liver
随后作者对新冠患者肝脏、心脏和肾脏的单细胞数据进行了分析。尽管有其它研究提示在非肺部的新冠肺炎组织中发现了病毒的RNA，但单细胞结果显示这些组织SARS-CoV-2病毒RNA含量较低。
通过和正常心脏组织的比较，作者发现新冠肺炎的心脏在细胞组成和基因表达上都有所变化：患者的心脏中出现心肌细胞和周细胞比例的显著降低，出现血管内皮细胞比例的显著增加；氧化应激诱导的细胞凋亡通路、细胞粘附和免疫通路、细胞分化通路分别在周细胞、心肌细胞和成纤维细胞中表达量增加。
13. COVID-19 cell types related through GWAS
最后，通过将细胞图谱数据与新冠肺炎的全基因组关联研究（genome-wide association study, GWAS）相结合，作者找到了具体细胞类型，尤其是II型肺泡细胞、纤毛细胞、CD8+ T细胞和巨噬细胞，与新冠肺炎的遗传风险之间的关联。当GWAS及细胞图谱数据变得更多时，这种结合分析方法会变得更加有用。
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