Nature：Akoya空間單細(xì)胞蛋白組技術(shù)描繪人類乳腺細(xì)胞圖譜

之前我們介紹過細(xì)胞圖譜工作的全球三個主要聯(lián)盟：人類生物分子圖譜計劃(HuBMAP)，人類腫瘤圖譜網(wǎng)絡(luò)(HTAN)和人類細(xì)胞圖譜(HCA)。每個聯(lián)盟都專注于與他們的圖譜工作相關(guān)的具體目標(biāo)。人類細(xì)胞圖譜（Human Cell Atlas，HCA）計劃的使命是創(chuàng)建所有人類細(xì)胞的綜合參考圖譜，在細(xì)胞水平上描述和定義健康與疾病的狀態(tài)。
 

近日，HCA分支的人類乳腺細(xì)胞圖譜（HBCA）項目的首席研究員Kai Kessenbrock博士攜手MD安德森癌癥中心和加州大學(xué)的研究團(tuán)隊，在《Nature》（IF=69.504)雜志上發(fā)表了題為“A spatially resolved single-cell genomic atlas of the adult human breast”的研究論文[1]。
 
該研究不僅從空間生物學(xué)角度闡明了乳腺組織中各種細(xì)胞亞群之間的關(guān)系，還描繪出迄今為止最為全面的人類乳腺細(xì)胞圖譜，為研究乳房生理和疾病過程提供了詳細(xì)的單細(xì)胞空間多組學(xué)信息。
 
圖1 乳腺組織中細(xì)胞亞群分布示意圖
 
 
 
 
| 研究背景 |
 
人類乳房屬于頂端分泌器官（apocrine organ），其最主要的生理作用體現(xiàn)在產(chǎn)生乳汁以哺育新生的嬰兒。這種乳汁分泌功能是由高度分支的小葉單位介導(dǎo)的，乳汁通過乳腺組織內(nèi)的導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸。乳腺上皮系統(tǒng)被密集的血管和淋巴管網(wǎng)包圍，并嵌入富含脂肪的組織中。組織病理學(xué)研究結(jié)果表明，人類乳腺組織內(nèi)主要有四種組織區(qū)域特征：末端導(dǎo)管小葉單位（terminal ductal lobular units，TDLU）和密集的分支上皮小葉結(jié)構(gòu)區(qū)；由雙層上皮組成的管狀導(dǎo)管區(qū)；富含細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的結(jié)締組織區(qū)；和脂肪富集區(qū)。每個區(qū)域內(nèi)不僅有大量的乳腺上皮細(xì)胞，還有成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和多種免疫細(xì)胞。要刻畫出乳腺組織的細(xì)胞圖譜，就需要明確組織內(nèi)各種細(xì)胞亞群之間的相關(guān)性及其在生理和病理狀態(tài)下的變化。
 
在早期研究中常用的全樣本分析工具（如蛋白質(zhì)印跡、定量PCR和bulk-RNA測序等）雖然能夠?qū)崿F(xiàn)單次分析由數(shù)萬到數(shù)百萬個細(xì)胞組成的樣本，但單個細(xì)胞亞群中的關(guān)鍵性差異會被樣本中其他細(xì)胞亞群平均化，容易錯過樣本中一些細(xì)胞亞群的細(xì)節(jié)信息。近年來，單細(xì)胞技術(shù)和空間組學(xué)技術(shù)在組織樣本解析過程中的聯(lián)合使用，不僅可以幫助我們在單細(xì)胞水平檢測每一個細(xì)胞中分子表達(dá)情況，還能展示出各個細(xì)胞亞群在組織中所處的位置及細(xì)胞之間的空間相關(guān)性。
 
2016年HCA計劃啟動至今，空間多組學(xué)聯(lián)用被更廣泛地應(yīng)用在組織圖譜解析過程中，通過研究發(fā)育和生理/病理活動中的分子機(jī)制去探索不同類型的細(xì)胞聚集并形成組織的原因。本研究的目的是以單細(xì)胞分辨率繪制人類乳腺組織中存在的所有細(xì)胞類型、狀態(tài)及其空間分布多組學(xué)圖譜。
 
 
| 研究思路 |
 
該HBCA項目共收集了來自132例女性手術(shù)患者的220個乳腺組織樣本。所采集到的樣本一部分用于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序（scRNA-seq）和單核轉(zhuǎn)錄組測序（snRNA-seq），另一部分用于Akoya空間單細(xì)胞蛋白組（PhenoCycler）和空間轉(zhuǎn)錄組檢測�？紤]到個體在經(jīng)歷青春期、懷孕、哺乳和更年期等過程中會伴隨乳腺組織重建，作者在數(shù)據(jù)分析時還考慮到種族、年齡和生育情況等因素。在先后解析了乳腺組織中細(xì)胞亞群、細(xì)胞鄰域（Cellular neighborhood）、上皮細(xì)胞分布、免疫細(xì)胞分布、成纖維細(xì)胞異質(zhì)性、脂肪細(xì)胞分布、血管和周細(xì)胞分布后，研究團(tuán)隊繪制出了迄今為止樣本量最大、分析最為全面的人類乳腺細(xì)胞圖譜。
 
 
圖2 乳腺組織示意圖和HBCA研究工作流程
 
 
| 研究過程 |
 
1. 確定乳腺組織中的主要細(xì)胞類型
首先，作者通過scRNA-seq技術(shù)檢測了167個乳腺組織樣本中收集到的714331個細(xì)胞，并通過聚類分析確定這些細(xì)胞由10種不同類型的細(xì)胞組成（圖3c和3d，包括：基細(xì)胞（Basal）、激素反應(yīng)型腔細(xì)胞（LumHR）、分泌型腔細(xì)胞（LumSec）、成纖維細(xì)胞、淋巴樣細(xì)胞、血管細(xì)胞、周細(xì)胞、髓系細(xì)胞、T細(xì)胞和B細(xì)胞）。由于技術(shù)限制，scRNA-seq結(jié)果中缺少了一些組織中常見細(xì)胞類型的數(shù)據(jù)（如脂肪細(xì)胞）。所以，作者進(jìn)一步通過snRNA-seq技術(shù)得到了117346個細(xì)胞核的數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明，乳腺組織中主要有11種細(xì)胞類型（圖3e和3f）：基底細(xì)胞、LumHR細(xì)胞、LumSec細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、淋巴樣細(xì)胞、血管細(xì)胞、周細(xì)胞、髓系細(xì)胞、T細(xì)胞、肥大細(xì)胞和脂肪細(xì)胞。細(xì)胞間作用分析結(jié)果進(jìn)一步驗證了作者通過測序技術(shù)在乳腺組織中找到的12個細(xì)胞類型。（詳見原文補(bǔ)充材料）
 
 
圖3 乳腺組織scRNA-seq和snRNA-seq檢測
 
 
2.乳腺組織中細(xì)胞空間分布檢測和細(xì)胞鄰域分析
接下來，作者利用主流空間組學(xué)技術(shù)（兩種空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和Akoya空間單細(xì)胞蛋白組技術(shù)）檢測乳腺組織中各種細(xì)胞亞群的空間分布情況。結(jié)果表明，乳腺組織中有9個特征性鄰域（圖4b和4c），且乳腺上皮細(xì)胞和非上皮細(xì)胞之間存在緊密的空間相關(guān)性（圖4e和4h）。隨后，作者分別研究上皮細(xì)胞和非上皮細(xì)胞的分布特征。
 
 
圖4 乳腺組織中主要細(xì)胞類型的空間組學(xué)分析
 
 
3. 乳腺上皮細(xì)胞分析
作者在前期研究中通過單細(xì)胞技術(shù)鑒定了乳腺上皮細(xì)胞分為基細(xì)胞（Basal）、激素反應(yīng)型腔細(xì)胞（LumHR）和分泌型腔細(xì)胞（LumSec）[2]。在本研究中作者詳細(xì)地分析了這幾種乳腺上皮細(xì)胞的功能異質(zhì)性，定義了LumHR細(xì)胞的3種不同活化形式的亞群和LumSec細(xì)胞的7種不同活化形式的亞群（圖5f，5g和5j）。另外，作者還在導(dǎo)管區(qū)域和小葉區(qū)域通過空間多組學(xué)檢測確定了幾種乳腺上皮細(xì)胞的空間分布規(guī)律（圖5n和5p），完成了乳腺上皮細(xì)胞的空間圖譜。
 
 
圖5 乳腺上皮細(xì)胞分析
 
 
4. 乳腺組織中非上皮細(xì)胞分析
以往的乳腺相關(guān)研究中常常忽略非上皮細(xì)胞（如免疫細(xì)胞）在乳腺組織中的“地位”，但本研究發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞不僅在乳腺組織中占有較高比例，且與乳腺上皮細(xì)胞存在顯著的空間相關(guān)性。在對乳腺組織中的免疫細(xì)胞解析過程中，作者發(fā)現(xiàn)免疫細(xì)胞不僅在生理狀態(tài)下占比高達(dá)16.7%，并且呈現(xiàn)出非常豐富的異質(zhì)性。分析結(jié)果表明，在乳腺組織中：T細(xì)胞和NK細(xì)胞有14種不同活化形式的亞群（圖6f和6g）；B細(xì)胞有5種不同活化形式的亞群（圖6h和6i）；髓系細(xì)胞有15種不同活化形式的亞群（圖6j和6k）。隨后，作者用空間分布檢測在乳腺組織的不同分區(qū)（小葉區(qū)、導(dǎo)管區(qū)、結(jié)締組織和脂肪區(qū)）中驗證了免疫細(xì)胞的空間分布。（詳見原文補(bǔ)充材料）
 
 
圖6 乳腺組織免疫微環(huán)境分析
 
 
最后，作者對乳腺組織中常見的成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、血管細(xì)胞、淋巴樣細(xì)胞和周細(xì)胞進(jìn)行了異質(zhì)性和空間分布分析（詳見原文），詳細(xì)地描繪出乳腺組織中各種細(xì)胞的活化形式與空間分布關(guān)系的圖譜（圖1）。不僅如此，作者還對比了不同患者種族、年齡和生理狀態(tài)來源的樣本之間的細(xì)胞異質(zhì)性差異，豐富了人類乳腺細(xì)胞圖譜中的異質(zhì)性參數(shù)。
 
 
| 總結(jié) |
 
本研究實現(xiàn)了4種前沿技術(shù)的空間多組學(xué)聯(lián)用，結(jié)合各種技術(shù)的優(yōu)勢實現(xiàn)了人類乳腺組織微環(huán)境的空間單細(xì)胞解析，為未來的乳腺相關(guān)疾病研究提供了組織細(xì)胞學(xué)依據(jù)。正如Kessenbrock博士所說：“將空間分析與單細(xì)胞RNA測序的力量相結(jié)合，能幫助我們獲得更多細(xì)胞與細(xì)胞、受體與配體之間的空間分布信息，從多個維度解讀組織微環(huán)境。”空間多組學(xué)聯(lián)用已然成為當(dāng)今組織樣本解析的不二選擇。
 
可通過https://www.akoyabio.com/blog/webinar-rewind-the-human-cell-atlas/   回顧Kessenbrock博士參加Akoya Biosciences網(wǎng)絡(luò)研討會對該項工作的介紹。
 
Akoya空間單細(xì)胞蛋白組學(xué)PhenoCycler
華盈生物提供服務(wù)的Akoya空間單細(xì)胞蛋白組學(xué)PhenoCycle（原CODEX）技術(shù)平臺，采用專利的DNA偶聯(lián)抗體檢測技術(shù)結(jié)合自動化高分辨熒光顯微鏡，可還原蛋白質(zhì)和特定細(xì)胞在組織中的真實分布�？蓪崿F(xiàn)近百種蛋白質(zhì)的空間原位檢測。
 
技術(shù)優(yōu)勢：
● 分辨率高，精確到0.251μm。
● 相比IMC，可實現(xiàn)全片掃描，無需預(yù)先限定感興趣區(qū)域（ROI）。
● >70種已驗證的DNA偶聯(lián)抗體可供自由選擇組合。
● 定制化更加靈活，可與商品化panel聯(lián)合使用。
 
 
參考文獻(xiàn)
1. Kumar T, Nee K, Wei R, et al. A spatially resolved single-cell genomic atlas of the adult human breast. Nature. 2023 Jun 28..
2. Nguyen QH, Pervolarakis N, Blake K, et al. Profiling human breast epithelial cells using single cell RNA sequencing identifies cell diversity. Nat Commun. 2018 May 23;9(1):2028.
 
該文章轉(zhuǎn)自：AkoyaBio微信公眾號

關(guān)于華盈

上海華盈生物醫(yī)藥科技有限公司（以下簡稱“華盈生物”）成立于2012年，位于上海閔行區(qū)綠洲環(huán)路396弄5幢4層，是一家集產(chǎn)品研發(fā) — 技術(shù)服務(wù)為一體的醫(yī)學(xué)生物技術(shù)領(lǐng)域的特色高科技企業(yè)。

華盈生物作為專業(yè)的蛋白組學(xué)技術(shù)服務(wù)公司，充分利用核心團(tuán)隊的科學(xué)背景與資源優(yōu)勢，成功打造了“蛋白芯片”和“蛋白質(zhì)譜”雙平臺技術(shù)服務(wù)體系，形成1+1>2的獨(dú)特業(yè)務(wù)優(yōu)勢。經(jīng)過多年的穩(wěn)步發(fā)展，華盈生物在業(yè)界逐漸樹立了“科學(xué)家服務(wù)科學(xué)家”的良好口碑和形象，業(yè)務(wù)覆蓋“蛋白芯片”、“蛋白質(zhì)譜”、“外泌體研究”、“單細(xì)胞技術(shù)”、“空間單細(xì)胞蛋白組”、“藥靶篩選”等領(lǐng)域，是國內(nèi)標(biāo)桿性的蛋白質(zhì)篩選與檢測系統(tǒng)性服務(wù)平臺。

多年來華盈生物服務(wù)客戶已經(jīng)覆蓋國內(nèi)各大著名的高校院所和多位院士課題組。華盈的專業(yè)和專注也已獲得業(yè)界普遍認(rèn)可，合作者的科研成果也先后在Cancer Cell、PNAS、 J Clin Invest、Nat Commun、J Hepatol、Sci Transl Med、Circulation等著名期刊上發(fā)表。