CosMx助力揭示狼瘡腎炎中腎基質(zhì)和浸潤免疫細(xì)胞間復(fù)雜的相互作用

患有系統(tǒng)性紅斑狼瘡 (SLE)的兒童 （稱為兒童期狼瘡性腎炎，cLN）患腎臟疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加。本研究利用單細(xì)胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)（CosMx SMI），生成了來自 8 名 cLN 患者和兩名對照者的腎組織（> 400,000 個(gè)細(xì)胞）的單細(xì)胞分辨率空間圖譜。分析結(jié)果顯示，不同類型的免疫細(xì)胞定位于 cLN 腎臟的特定區(qū)域，并且基因表達(dá)具有空間異質(zhì)性，為 SLE 的免疫發(fā)病機(jī)制提供新的見解。此外，研究者還確定了空間相關(guān)gene module在炎癥誘導(dǎo)和腎小管間質(zhì)纖維化發(fā)展中的預(yù)測作用。總之，單細(xì)胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用，為cLN發(fā)展機(jī)制提供了新的見解，有利于更有針對性和個(gè)性化的治療。

01 文章詳情

文章題目：Single cell spatial transcriptomic profiling of childhood-onset lupus nephritis reveals complex interactions between kidney stroma and infiltrating immune cells.
中文題目：單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組分析揭示兒童期發(fā)病的狼瘡腎炎中腎基質(zhì)和浸潤免疫細(xì)胞之間復(fù)雜的相互作用
發(fā)表時(shí)間：2023.11
期刊名稱：bioRxiv
實(shí)驗(yàn)平臺：空間轉(zhuǎn)錄組測序（NanoString CosMx SMI）
DOI：doi.org/10.1101/2023.11.09.566503

02 研究設(shè)計(jì)

03 研究內(nèi)容

1、cLN的單細(xì)胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究
為了識別cLN中腎臟炎癥的空間異質(zhì)性，研究者使用單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)—CosMx SMI，對2名對照和8例狼瘡性腎炎患兒（SLE1~SLE7）的腎活檢組織進(jìn)行分析，結(jié)果共鑒定了447,892個(gè)細(xì)胞（平均每個(gè)活檢組織37,324個(gè)細(xì)胞）。使用InSituType 工具對細(xì)胞進(jìn)行聚類和注釋，共得到了35種細(xì)胞類型。接下來，研究者利用形態(tài)學(xué)標(biāo)記物panCK進(jìn)行染色（標(biāo)記腎遠(yuǎn)端小管），進(jìn)一步驗(yàn)證腎細(xì)胞的分型。其中連接小管細(xì)胞、閏細(xì)胞（type A、B）以及主細(xì)胞定位于panCK+遠(yuǎn)端小管段�？傊�，利用CosMx SMI研究者生成了一個(gè)全面的腎臟細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組圖譜。

Fig.1 cLN 腎臟細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組圖譜

2、cLN的免疫學(xué)景觀
通過細(xì)胞比例分析發(fā)現(xiàn)，在cLN中免疫浸潤增加，但在不同cLN患者之間具有明顯的異質(zhì)性，其中巨噬細(xì)胞是細(xì)胞占比最豐富的細(xì)胞類型。為了研究不同類型的免疫細(xì)胞在腎臟的分布是否具有空間異質(zhì)性，研究者首先將腎組織切片劃分為4個(gè)空間區(qū)域，分別定義為：腎小球內(nèi)、腎小球交界、腎小管間質(zhì)以及免疫熱點(diǎn)區(qū)域（在鄰近的0.5mm范圍內(nèi)包含³50 immune cells的區(qū)域），并通過結(jié)合CosMx數(shù)據(jù)，分析不同區(qū)域內(nèi)免疫細(xì)胞占比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在cLN腎小球中，髓系細(xì)胞系和巨噬細(xì)胞的比例增加；在cLN其他腎臟區(qū)域內(nèi)，大部分巨噬細(xì)胞彌散分布在小管間質(zhì)區(qū)。此外，B細(xì)胞數(shù)量遠(yuǎn)高于T細(xì)胞的數(shù)量，更廣泛地分布于整個(gè)腎小管間質(zhì)。通過CosMx SMI技術(shù)，研究者繪制了cLN中腎組織的免疫學(xué)景觀。

Fig.2 cLN患者腎組織的免疫景觀

3、不同區(qū)域巨噬細(xì)胞基因表達(dá)特征以及免疫熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)B細(xì)胞空間相互作用
研究者進(jìn)一步分析了cLN腎小球區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域外巨噬細(xì)胞的差異表達(dá)基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在cLN中，腎小球炎癥區(qū)域內(nèi)巨噬細(xì)胞與腎小球區(qū)域外巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)錄特征，表明巨噬細(xì)胞特征在cLN疾病中與空間分布位置密切相關(guān)。

Fig.3 cLN巨噬細(xì)胞中基因表達(dá)的空間分布

B細(xì)胞與cLN發(fā)病密切相關(guān)，因此研究者研究了cLN免疫熱點(diǎn)區(qū)域中B細(xì)胞的基因表達(dá)模式和相互作用網(wǎng)絡(luò)。局部病灶內(nèi)的漿細(xì)胞表達(dá)了IgA、IgG和IgM免疫球蛋白基因轉(zhuǎn)錄本，說明在cLN中，持續(xù)的適應(yīng)性免疫應(yīng)答促進(jìn)局部漿細(xì)胞生成。通過空間可視化圖，證實(shí)了B細(xì)胞、漿細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和CD4+ T細(xì)胞之間的空間相互作用。網(wǎng)絡(luò)分析也發(fā)現(xiàn)，在cLN中存在一個(gè)小管間質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，B.3亞群作為中心節(jié)點(diǎn)，并表現(xiàn)出與記憶T細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和其他B細(xì)胞亞簇的相互作用。并且在小管間質(zhì)的免疫熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，B細(xì)胞、髓系細(xì)胞和T細(xì)胞之間的空間相互作用表現(xiàn)出與適應(yīng)性免疫功能和調(diào)節(jié)機(jī)制相一致的轉(zhuǎn)錄特征。

Fig.4  免疫熱點(diǎn)區(qū)域中B細(xì)胞相互作用模式

4、cLN中常駐腎小球細(xì)胞以及基因表達(dá)與疾病相關(guān)性
通過CosMx技術(shù)對同一組織切片內(nèi)的浸潤性免疫細(xì)胞和腎基質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)cLN中系膜細(xì)胞與足細(xì)胞的比例增加。接下來，研究者進(jìn)一步研究在cSLE中腎小球細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄組的改變與疾病的相關(guān)性。結(jié)果顯示，在SLE中，常駐腎小球細(xì)胞中存在廣泛的轉(zhuǎn)錄變化，與疾病病理相關(guān)。例如，cLN腎小球內(nèi)皮細(xì)胞TEK和CLEC1A等基因表達(dá)下降，提示腎小球內(nèi)皮功能的改變并與周圍系膜基質(zhì)存在串?dāng)_。以上數(shù)據(jù)說明，cLN中腎小球細(xì)胞基因表達(dá)發(fā)生明顯改變，并與疾病的發(fā)展機(jī)制密切相關(guān)。

Fig.5  常駐腎小球細(xì)胞基因表達(dá)改變

5、與cLN中炎癥和組織纖維化誘導(dǎo)相關(guān)的空間gene module的鑒定
研究者利用InSituCor，分析鑒定了51個(gè)不同的gene module，包括干擾素刺激基因（ISG）相關(guān)的gene module、巨噬細(xì)胞富集空間區(qū)域內(nèi)兩個(gè)不同gene module、與腎小管間質(zhì)纖維化誘導(dǎo)相關(guān)的gene module等。值得注意的是，這些不同功能相關(guān)的gene module在空間表達(dá)的分布也與組織病理學(xué)存在一致性。例如，在組織病理學(xué)上，在缺乏明顯的腎小管間質(zhì)纖維化的腎臟區(qū)域觀察到纖維化相關(guān)gene module的表達(dá)。該部分結(jié)果說明鑒定到的空間gene module在炎癥誘導(dǎo)和腎小管間質(zhì)纖維化發(fā)展中具有一定的預(yù)測作用。

Fig.6  腎小球基因表達(dá)與組織組織病理學(xué)相關(guān)性

04 研究結(jié)論

本研究利用CosMx SMI 技術(shù)對cLN患者的腎活檢組織進(jìn)行分析，繪制了腎組織細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，鑒定了cLN中腎小球和小管間質(zhì)免疫熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的免疫景觀。同時(shí)確定了與促炎和纖維化相關(guān)的gene module，為疾病發(fā)展的預(yù)測提供了指導(dǎo)意義。這些發(fā)現(xiàn)不僅為狼瘡的研究提供了重要資源，同時(shí)也具有重要的治療意義。