顶刊分享–小鼠和人肺中抗纤维化因子的组织学特征

作者，Evil Genius

今天我们分享文献，nature正刊，单细胞（RNA + ATAC）空间（visium）

知识积累

纤维化，用富含胶原的基质替代健康组织，几乎在每个器官损伤后都可能发生，持续性纤维化代表一种适应不良反应。纤维化基质随时间推移的消退可以恢复功能性组织。

特发性肺纤维化蛋白水平的空间表型揭示了人类疾病中类似的成纤维细胞亚型和邻域。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）已经发现了纤维化亚群，如表达Acta 2（Acta 2+）的肌成纤维细胞、Pdgfrb+间充质细胞和Cthrc1+成纤维细胞。尽管成纤维细胞在皮肤瘢痕形成、肿瘤结缔组织增生和其他纤维化中具有无数的生物学作用，但肺成纤维细胞的潜在抗纤维化作用仍在很大程度上未被探索。

肺纤维化在空间分布上也表现出异质性。例如，IPF产生非均匀分散的纤维化病灶，其代表纤维化发生的前沿，并与非纤维化和成熟纤维化区域相比呈现独特的细胞外基质（ECM）结构和细胞环境。

首要目标是研究成纤维细胞异质性和时空分辨的组织学转化轨迹之间的相互作用，作为识别以成纤维细胞为中心的肺纤维化治疗方法的一种手段。首先，应用高维纤维算法来绘制组织学结构的时间变化。接下来，将结构与以成纤维细胞为中心的阶段和位置特异性转录组和表观基因组因子联系起来。通过将组织学结构映射到Visium上，发现了不同的肺内邻域组成，包括通过离体人精确切割肺切片（PCLS）培养进行功能验证的促纤维化与抗纤维化分子的子集。

结果1、随时间推移的组织学轨迹

首先使用高维纤维算法分析了肺纤维化进展的总体动力学（图像处理的一种方法）

分析数据定义了与肺纤维化进展相关的高维组织学特征，其表示纤维几何形状越来越不均匀、断裂。

结果2、各阶段成纤维细胞表型

应用scRNA-seq的多组学分析，单细胞测定转座酶可接近的染色质（scATAC-seq）和Visium空间转录组学。

基于CellChat的细胞间信号传导推断表明，成纤维细胞向各种上皮细胞、免疫细胞和间充质细胞群发出信号，尽管在纤维化和消退期间分别与肺泡II型（ATII）和I型（ATI）细胞发出信号。

成纤维细胞表现出显著的转录异质性，由明显的分叉聚类证明，因此进行了计算机分离和亚聚类。

分析发现成纤维细胞亚型的阶段依赖性富集，其可以代表不同亚群和转录状态的组合。

通过绘制纤维化进展与消退的组织学轨迹，分别确定了ECM分泌（Csmd 1+）与促消退（Cd 248+）成纤维细胞表型，这些表型在损伤后阶段明显富集。

结果3、阶段特异性表观遗传机制

通过Signac中基于Anchor的转移映射到scRNA-seq（scRNA + scATAC联合分析）。

分析了DNA motif以推断时间点特异性转录因子结合的可用性。

结果4、成纤维细胞的体内富集

分析体内富集状态和阶段特异性成纤维细胞表型的功能效应。

结果表明，状态和阶段特异性成纤维细胞表型的富集引起对胶原蛋白数量、结构和组成的复杂下游效应，包括根据胶原蛋白含量的基本事实测量和其它度量，通过促消退成纤维细胞富集来增强纤维化后消退。

Collectively, our findings suggest that instilled fibroblasts eventually adopted phenotypes in alignment with the overall lung microenvironment, while supporting the additive benefit of enriching pro-resolving fibroblasts.

结果5、Visium的细胞空间组织

visium数据，单细胞空间联合分析（Seurat）。

Cellchat分析细胞阶段性通讯的变化。

结果6、推断成纤维细胞的niche

通过量化成纤维细胞局部邻域内细胞表型的全细胞频率来推断成纤维细胞的细胞生态位。

根据转录表型，成纤维细胞位于两个整体细胞niche之一。

空间生态位A（炎性/ECM分泌/外膜成纤维细胞）分析与免疫群体（例如，自然杀伤（NK）细胞和T细胞）和内皮（例如，内皮细胞和周细胞）具有邻近性，而空间生态位B（糖蛋白产生/前分解/肺泡/支气管周围成纤维细胞）与增强的成纤维细胞-成纤维细胞相互作用相关。CellChat进一步揭示了与转录表型和/或细胞生态位一致的信号传导。

研究结果推断出了ECM分泌与促分解成纤维细胞的不同细胞生态位和信号模式。

结果7、空间-转录邻域

细胞-细胞相互作用由ATI细胞、成纤维细胞和巨噬细胞主导，反映了ATI细胞与肺纤维化的既定细胞驱动因子的共定位。相反，非纤维化相互作用主要与中性粒细胞和树突状细胞相互作用相关。

ECM分泌成纤维细胞在纤维化结构区域最富集，而促消退成纤维细胞在非纤维化结构区域最富集。

研究结果确定了基于组织结构和肺泡成纤维细胞相互作用的协变空间转录特征。

特征包括在纤维化（例如Serpine2）与非纤维化（例如Pi16）组织邻域中富集的细胞外分子，其对肺纤维化具有先前未知的影响。因此，除了个别成纤维细胞亚型，需要研究这些邻近相关的细胞外蛋白对人肺组织的功能影响。

结果8、人肺切片的Modulation。

小鼠模型，细胞培养。

结果9、人IPF的空间表型

为了研究小鼠确定的生物学因素的临床表现，我们将CODEX应用于空间表型IPF（n = 6份标本）和正常肺（n = 3份标本）在蛋白质水平上。

细胞邻域分析

在原位检测了IPF中的肺泡成纤维细胞蛋白邻居（k = 20个邻居），与我们在小鼠中的Visium分析功能相似。每种成纤维细胞亚型都表现出基于细胞外蛋白富集的独特的生物分子邻域。每种成纤维细胞亚型都表现出独特的生物分子邻域，其基于细胞外蛋白富集。

通过探索与我们的小鼠数据和先前的IPF文献相关的空间生物学因素，在蛋白质水平上证明了ECM分泌与促消退成纤维细胞的临床代表性和原位背景，突出显示这些成纤维细胞亚型及其生物分子（基于蛋白质）邻域分别相对促纤维化与抗纤维化。

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