單細(xì)胞+空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示膽道閉鎖纖維化相關(guān)的免疫景觀

01

單細(xì)胞+空間轉(zhuǎn)錄組學(xué):揭示膽道閉鎖纖維化相關(guān)的免疫景觀

膽道閉鎖（BA）是一種炎癥性和纖維化性新生兒膽管病，但病因仍不明確。

本研究對(duì)14個(gè)肝臟樣本進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序和空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，然后基于基因表達(dá)譜進(jìn)行細(xì)胞類型注釋及數(shù)據(jù)整合，確定纖維化相關(guān)免疫細(xì)胞的空間位置；并通過GO和KEGG分析確定了纖維化相關(guān)免疫細(xì)胞；最后，分別使用SPOTlight和CIBERSORTx分別對(duì)ST數(shù)據(jù)和微陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行去卷積。結(jié)果顯示：在“纖維化生態(tài)位”（瘢痕區(qū)域）的免疫亞群，包括CD14+CD16+單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、自然殺傷T細(xì)胞、B細(xì)胞和FCN3+中性粒細(xì)胞；通過GO/KEGG分析發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞類型富集到平滑肌細(xì)胞/成纖維細(xì)胞增殖的正向調(diào)節(jié)通路以及對(duì)VEGFR/VEGF/EGFR/FGF的正向調(diào)節(jié)/反應(yīng)通路；最后，對(duì)ST數(shù)據(jù)和微陣列數(shù)據(jù)的去卷積結(jié)果證實(shí)，在一些已鑒定的纖維化相關(guān)細(xì)胞類型在BA中的比例增加。

總之，本研究揭示了BA纖維化生態(tài)位的分子、細(xì)胞和空間免疫微環(huán)境。

02

單細(xì)胞測(cè)序揭示C1Q標(biāo)記高侵襲性巨噬細(xì)胞樣白血病，提示髓外浸潤(rùn)和復(fù)發(fā)

急性髓系白血病(Acute myeloid leukemia, AML)是一種致命的血液系統(tǒng)惡性腫瘤，起源于不成熟祖細(xì)胞的無限增殖，以髓內(nèi)和髓外浸潤(rùn)為特征。髓外浸潤(rùn)(EMI)是AML預(yù)后不良的一種伴隨表現(xiàn)，其潛在機(jī)制仍然知之甚少，治療方案也很有限。

在本研究中，研究者對(duì)一位出現(xiàn)廣泛性白血病皮膚的AML患者的骨髓(BM)和EMI樣本進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)體C1Q+巨噬細(xì)胞樣白血病亞群在皮膚中富集，在EMI表現(xiàn)之前存在于BM中，并在多個(gè)AML患者中得到進(jìn)一步證實(shí)�；�因組和轉(zhuǎn)錄分析揭示了表達(dá)高水平C1Q的EMI患者的突變和基因表達(dá)特征。RNA測(cè)序和定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析揭示了C1Q從初發(fā)到復(fù)發(fā)的表達(dá)動(dòng)態(tài)。單變量和多變量分析顯示C1Q表達(dá)的不良預(yù)后意義。在機(jī)制上，轉(zhuǎn)錄因子MAFB調(diào)節(jié)的C1Q表達(dá)使白血病細(xì)胞具有組織浸潤(rùn)能力，可在患者來源的異種移植(PDX)和細(xì)胞系來源的異種移植(CDX)模型中建立明顯的皮膚或胃腸道EMI結(jié)節(jié)。成纖維細(xì)胞通過對(duì)C1Q- gC1QR的識(shí)別和隨后TGF-β1的刺激吸引C1Q+白血病細(xì)胞的遷移。這種細(xì)胞間通訊也有助于C1Q+白血病細(xì)胞在化療應(yīng)激下的存活。

因此，C1Q是AML的不良預(yù)后標(biāo)記物，它通過與成纖維細(xì)胞的交流協(xié)調(diào)癌癥浸潤(rùn)途徑，并代表了一個(gè)令人信服的EMI治療靶點(diǎn)

03

糾結(jié)單細(xì)胞批次效應(yīng)的研究者的福音來了！SCALEX單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)在線整合算法

隨著單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，研究越來越深入，規(guī)模越來越大，整合自己多批次的數(shù)據(jù)或者整合數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面挖掘是現(xiàn)在單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析的核心環(huán)節(jié)，然而目前面臨幾個(gè)難題：1.不同的實(shí)驗(yàn)樣本，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，艱苦方法帶來的批次效應(yīng)干擾生物學(xué)差異的提取，2.百萬級(jí)單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析算法效率低，3.不同數(shù)據(jù)集樣本類型多樣，存在高異質(zhì)性，4.目前的整合方法基于不同批次數(shù)據(jù)間的細(xì)胞相似性來矯正批次效應(yīng)，存在過度整合、可擴(kuò)展性差、無法直接將已有模型應(yīng)用到新數(shù)據(jù)集上等弊端。2022年10月17日清華大學(xué)張強(qiáng)鋒教授課題組在 Nature Communications 發(fā)表了自主開發(fā)的基于自編碼器深度學(xué)習(xí)框架的人工智能算法--SCALEX，來對(duì)單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行在線整合。該算法采用一個(gè)批次無關(guān)的編碼器和批次特異的解碼器組成的非對(duì)稱自編碼器結(jié)構(gòu)，通過大量學(xué)習(xí)得到一個(gè)高泛化編碼器，能夠?qū)⒏呔S的單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)投射到低維細(xì)胞嵌入空間，保留生物學(xué)差異的同時(shí)消除批次效應(yīng)。這個(gè)算法明顯由于目前的單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)整合算法，并且能保持高計(jì)算效率，在數(shù)據(jù)矯正中也避免了過矯正清醒適用于異質(zhì)性好，復(fù)雜度高的樣本整合，同時(shí)該算法還兼容單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)整合。總體來說新算法在消除批次效應(yīng)，保留生物學(xué)差異，適應(yīng)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性上優(yōu)勢(shì)明顯，這個(gè)算法真的這么好嗎？還需要大量應(yīng)用者進(jìn)行驗(yàn)證。

04

腫瘤靜息細(xì)胞與膠質(zhì)瘤入侵、擴(kuò)散有關(guān)

高級(jí)別膠質(zhì)瘤是兒童和成人最常見的原發(fā)性顱內(nèi)惡性腫瘤，患者生存期短，治療困難，主要原因是腫瘤向周圍正常腦組織浸潤(rùn)性生長(zhǎng)，并且由于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞的參與抑制了放化療藥物的療效。靜息細(xì)胞是指暫時(shí)退出細(xì)胞分裂周期，進(jìn)入G0期的癌細(xì)胞，屬于腫瘤休眠機(jī)制的一種，即細(xì)胞休眠。這種細(xì)胞對(duì)細(xì)胞周期依賴的化療藥物耐受，在一定條件下被激活并再次增殖，導(dǎo)致癌癥的復(fù)發(fā)。

本文重新分析了一個(gè)包括20名成人與8名兒童的神經(jīng)膠質(zhì)瘤單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了癌癥干細(xì)胞標(biāo)志物Prominin-1在兒童神經(jīng)膠質(zhì)瘤中有較高表達(dá)，然后研究人員根據(jù)細(xì)胞周期相關(guān)基因?qū)⒛[瘤細(xì)胞進(jìn)一步分為周期性和非周期性（包括靜息）癌細(xì)胞，結(jié)合Prominin-1的表達(dá)在成人和兒童神經(jīng)膠質(zhì)瘤中都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)PROM1+的細(xì)胞亞群，奇怪的是這群細(xì)胞高表達(dá)細(xì)胞黏附和擴(kuò)散相關(guān)的基因，接下來研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)追蹤G0期的熒光蛋白追蹤系統(tǒng)，首先確認(rèn)了這群細(xì)胞在腫瘤中的分布，接著追蹤了替莫唑胺（TMZ）治療小鼠腦腫瘤中靜息態(tài)Prom1+細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)TMZ對(duì)靜息態(tài)Prom1+細(xì)胞沒有影響，而靜息態(tài)Prom1+細(xì)胞清除可以有效減小腫瘤的大小，提高小鼠生存率，而在腫瘤建立后再進(jìn)行清除，發(fā)現(xiàn)入侵的細(xì)胞減少了，說明靜息態(tài)Prom1+細(xì)胞與腫瘤的入侵、擴(kuò)散有關(guān)。然后在人類腦瘤的類器官模型中嘗試了各種藥物處理，篩選發(fā)現(xiàn)DYRK1A/B抑制劑去氫駱駝蓬堿（Harmine）清除靜息細(xì)胞的效果最好，并且降低了類器官的入侵性，有可能作為浸潤(rùn)性高級(jí)別神經(jīng)膠質(zhì)瘤的治療藥物。

該文章揭示了靜息細(xì)胞亞群可能是導(dǎo)致高級(jí)別膠質(zhì)瘤侵襲性的部分原因，發(fā)現(xiàn)了潛在的治療浸潤(rùn)性高級(jí)別神經(jīng)膠質(zhì)瘤藥物。

05

過敏性結(jié)膜炎為什么會(huì)引起瘙癢？炎癥和感覺神經(jīng)元之間是如何作用的呢？

過敏性結(jié)膜炎，通常是由塵螨過敏，暴露在空氣中的過敏原比如花粉和室內(nèi)塵螨造成，是一種慢性炎癥性疾病，其特征是結(jié)膜嚴(yán)重搔癢，瘙癢過程是由位于三叉神經(jīng)結(jié)免疫細(xì)胞產(chǎn)生的II型細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素IL-4和IL-13可直接激活感覺神經(jīng)元，而呈現(xiàn)的一種癥狀，然而神經(jīng)免疫相互作用如何應(yīng)影響嚴(yán)重瘙癢的機(jī)制尚不清楚。

本文構(gòu)建了塵螨過敏性結(jié)膜炎小鼠模型，然后利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對(duì)結(jié)膜組織中的5258個(gè)CD45+的免疫細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了23個(gè)不同的細(xì)胞群，并結(jié)合組織學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中室內(nèi)塵螨導(dǎo)致的過敏性結(jié)膜炎所引發(fā)神經(jīng)軸突伸長(zhǎng)是依賴于T細(xì)胞群體的。接著研究者用OVA反復(fù)刺激小鼠結(jié)膜，形成抗原特異性記憶Th2細(xì)胞，來探究Th2細(xì)胞在結(jié)膜炎形成瘙癢的發(fā)病機(jī)制的作用進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其參與了嚴(yán)重瘙癢的發(fā)病機(jī)制以及結(jié)膜相關(guān)的淋巴組織結(jié)構(gòu)的形成和周圍神經(jīng)伸長(zhǎng)相關(guān)，而Th2細(xì)胞在IL-33敲除小鼠中嚴(yán)重瘙癢以及周圍神經(jīng)伸長(zhǎng)的表型會(huì)減弱，因此IL-33可能參與了過敏性結(jié)膜炎的軸突伸長(zhǎng)和嚴(yán)重瘙癢過程。為了確定Th2細(xì)胞中引起瘙癢的分子，基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ctss，Klk8等一部分與瘙癢相關(guān)的基因顯著上調(diào)，而在Th2細(xì)胞中IL-4和IL-13等表達(dá)也增強(qiáng)，可以直接激活感覺神經(jīng)元，并且Th2中高表達(dá)一種神經(jīng)肽Calca，阻斷該過程可以改善過敏性結(jié)膜炎的嚴(yán)重瘙癢癥狀。免疫細(xì)胞與神經(jīng)元的互作中，發(fā)現(xiàn)特異性表達(dá)Calcrl和Ramp1的瘙癢神經(jīng)元參與到過敏性結(jié)膜炎的進(jìn)展之中，這表明室內(nèi)塵螨引發(fā)的結(jié)膜炎中IL-33-ST2-CGRP-Ramp1軸調(diào)節(jié)記憶Th2細(xì)胞和外周瘙癢神經(jīng)元之間的免疫-神經(jīng)元相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致慢性結(jié)膜炎中嚴(yán)重過敏性炎癥誘導(dǎo)的瘙癢。另外文章為治療過敏性結(jié)膜炎嚴(yán)重瘙癢的治療提供了潛在的靶點(diǎn)。

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