利用scRNA-seq表征慢性阻塞性肺疾�。–OPD）肺泡生態(tài)位

慢性阻塞性肺疾�。ê喎Q“慢阻肺”），英文簡稱“COPD”，也就是我們日常生活中所說的慢性支氣管炎和肺氣腫，主要癥狀為長時間咳嗽、咳痰以及氣短，是慢性支氣管炎和肺氣腫的總稱。COPD具有進行性、不可逆特征，久而久之將演變成肺心病，最后可能累及全身各系統(tǒng)。世界衛(wèi)生組織將每年11月第三周的周三定為世界慢阻肺日，宗旨是幫助人們提高對慢阻肺的認識，改善慢阻肺診斷不足和治療不力的現(xiàn)狀。

2022年1月25日，Nature communications（IF=17.694）上發(fā)表了一篇題為Characterization of the COPD alveolar niche using single-cell RNA sequencing的研究論文。作者分析了來自患有晚期COPD及對照組的外植肺組織的scRNA-seq圖譜，并通過香煙煙霧誘導10個月的小鼠模型進行scRNA-seq作為驗證。通過對患者單細胞轉錄組數(shù)據(jù)的分析，定義了一個肺泡上皮II型細胞亞群，該亞群表征出細胞代謝功能異常以及細胞應激耐受性降低的特點。同時通過轉錄組網絡分析，發(fā)現(xiàn)COPD患者中，毛細血管內皮細胞CXCL趨化因子升高介導炎癥反應。最后，在晚期COPD患者中，鑒定出了高表達金屬硫蛋白的巨噬細胞亞群。該研究突出了晚期COPD患者病理中所涉及的細胞特異性機制。

 

研究內容

1、利用scRNAseq數(shù)據(jù)分析慢性阻塞性肺病的細胞類型

作者重新分析了之前從移植肺中獲得的scRNA-seq譜，主要集中在17例晚期COPD患者和年齡相仿的15例對照組樣本（圖1A）。最終的數(shù)據(jù)集包括來自對照組肺的49,976個細胞和來自COPD肺的61,564個細胞，基于代表性標記基因，在對照組和COPD肺中識別出37種不同的細胞類型（圖1B）。為了驗證研究結果，對小鼠的肺組織細胞進行了scRNA-seq測序，并通過香煙煙霧誘導來構建小鼠疾病模型。

圖1 利用scRNA-seq數(shù)據(jù)分析COPD的細胞類型

 

2、AT2亞群與COPD病理和遺傳有關

介于上皮細胞在研究COPD病理學中的重要地位，作者首先分析了患者和對照組scRNA-seq數(shù)據(jù)中上皮細胞群的轉錄譜，并鑒定出了所有主要的上皮細胞類型，包括I型肺泡上皮細胞（AT1），AT2，纖毛細胞，杯狀細胞和俱樂部細胞（圖2A）。

鑒定出了兩個AT2亞群，其中一個亞群由典型AT2標記表達增加的細胞組成，如SFTPA1、SFTPC2和ETV5，并將其命名為AT2B細胞（圖2C）。作者還發(fā)現(xiàn)AT2B細胞是肺組織中HHIP的主要表達者，且HHIP的表達與AT2B細胞的marker表達顯著相關。通過將scRNA-seq數(shù)據(jù)與GWAS數(shù)據(jù)進行整合分析，發(fā)現(xiàn)AT2B細胞與肺功能或聯(lián)合數(shù)據(jù)集都有著極其顯著的關聯(lián)。

圖2 COPD上皮細胞和AT2B細胞在COPD發(fā)病中的重要性

 

3、COPD AT2B細胞中代謝和細胞應激反應基因表達的改變

進一步分析AT2B細胞中的基因表達模式，發(fā)現(xiàn)COPD肺組織中AT2中的NUPR1表達降低。為了確定NUPR1在患者AT2細胞中表達減少的功能意義，對A549細胞使用香煙煙霧提取物（CSE）進行誘導后，發(fā)現(xiàn)NUPR1表達增加，而抑制其表達后，明顯發(fā)現(xiàn)細胞的死亡敏感性增加。隨后，作者篩選了調控細胞死亡的化學抑制劑，通過細胞毒性和活力測定，發(fā)現(xiàn)只有去鐵胺降低了缺乏NUPR1的A549細胞死亡敏感性，并通過流式結果證明了這一發(fā)現(xiàn)。上述結果表明，在COPD的AT2細胞中，NUPR1表達降低，可能會通過影響鐵死亡從而增加細胞的死亡敏感性。

圖3 COPD中AT2B細胞應激反應異常

 

4、內皮損傷和炎癥的COPD特異性特征

作者接著又轉向了內皮細胞的分析，首先鑒定了所有的內皮細胞類型，包括動脈、靜脈、淋巴和全身支氣管周圍內皮細胞，以及兩種獨特的毛細血管群。作者還發(fā)現(xiàn)在多種內皮細胞類型中存在許多重疊的差異表達基因�？偠�言之，這些發(fā)現(xiàn)顯示了晚期COPD患者的毛細血管內皮細胞中存在細胞應激反應和炎癥反應的獨特病理特征。

圖4 COPD內皮細胞類型表現(xiàn)出普遍的和細胞類型特異性的轉錄畸變

 

5、網絡分析確定了內皮CXCL信號在COPD中的關鍵作用

作者確定了毛細血管內皮是COPD患者肺泡炎癥反應的主要原因，基于預測的配受體相互作用預測，構建了細胞通訊網絡圖。發(fā)現(xiàn)成纖維細胞、AT1和AT2細胞在網絡中具有較高的連通性，同時通過計算細胞類型輸入輸出的權重變化，發(fā)現(xiàn)權重變化最大的是gCap中CXCL-motif信號通路的增加，并且這一增加現(xiàn)象是在COPD患者中所獨有的，在吸煙者的健康對照組中并不存在。同樣，在香煙煙霧誘導的小鼠疾病模型中，也發(fā)現(xiàn)了CXCL信號通路的增加。隨后，為了確定促進gCap中CXCL信號通路增加的特定配受體對，發(fā)現(xiàn)輸出的CXCL的信號通路的增加主要是由于CXCL12和編碼CXCL12相互作用分子的基因(CXCR3,CXCR4)的表達增加，免疫染色結果也同樣證明了這一點。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明COPD患者中毛細血管內皮細胞輸出CXCL12信號具有重要作用。

 

研究結論

總的來說，該研究結果提供了COPD肺中肺泡龕的高分辨率單細胞圖譜。該圖譜發(fā)現(xiàn)了COPD中不同上皮細胞、內皮細胞和巨噬細胞群中先前未被發(fā)現(xiàn)的基因表達變化和細胞相互作用，突出了COPD中細胞損傷和炎癥的復雜性和多樣性。未來的研究評估在本文中確定的特定轉錄異常的結果，將有助于深入了解導致疾病的機制。

 

參考文獻：

Sauler M, McDonough JE, Adams TS, Kothapalli N, Barnthaler T, Werder RB, Schupp JC, Nouws J, Robertson MJ, Coarfa C, Yang T, Chioccioli M, Omote N, Cosme C Jr, Poli S, Ayaub EA, Chu SG, Jensen KH, Gomez JL, Britto CJ, Raredon MSB, Niklason LE, Wilson AA, Timshel PN, Kaminski N, Rosas IO. Characterization of the COPD alveolar niche using single-cell RNA sequencing. Nat Commun. 2022 Jan 25;13(1):494. doi: 10.1038/s41467-022-28062-9. PMID: 35078977; PMCID: PMC8789871.