CosMx助力解析炎癥性腸病中關(guān)鍵細(xì)胞亞型的空間異質(zhì)性

編者按

炎癥性腸病（IBD）是由免疫介導(dǎo)的慢性胃腸道疾病，分為克羅恩�。–D）和潰瘍性結(jié)腸炎（UC），但這兩種疾病在疾病進(jìn)展和治療反應(yīng)等方面具有顯著異質(zhì)性。目前尚未建立有效的臨床或生物學(xué)特征來解釋和預(yù)測(cè)該現(xiàn)象，因此了解疾病異質(zhì)性背后復(fù)雜的分子機(jī)制，成為亟需解決的問題。本項(xiàng)研究結(jié)合單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）和單細(xì)胞空間原位分子成像（CosMx SMI）技術(shù)對(duì)IBD進(jìn)行深入分析。scRNA-seq數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)IBD患者之間最大的差異存在于髓系細(xì)胞，主要包括巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞。研究人員進(jìn)一步利用了CosMx SMI單細(xì)胞空間原位分子成像技術(shù)對(duì)每個(gè)巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞亞群進(jìn)行精細(xì)的空間定位和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組表達(dá)檢測(cè)，在組織空間維度全面揭示了巨噬細(xì)胞的多樣性和可塑性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞和炎性成纖維細(xì)胞參與構(gòu)建了強(qiáng)大的通訊網(wǎng)絡(luò)，闡釋了人類炎性腸病的細(xì)胞復(fù)雜性和導(dǎo)致IBD異質(zhì)性的潛在機(jī)制。

文章題目：Macrophage and neutrophil heterogeneity at single-cell spatial resolution in humaninflammatory bowel disease
中文題目：在單細(xì)胞空間分辨率下揭示炎癥性腸病中巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的空間異質(zhì)性
見刊時(shí)間：2023.07
期刊名稱：Nature Communications
影響因子：16.6
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、CosMx SMI（1000 gene panel）、多色免疫熒光
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40156-6
 
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
 

技術(shù)路線示意圖
 

研究結(jié)果 

1. 單細(xì)胞測(cè)序和空間分子成像聯(lián)合分析繪制健康和炎癥結(jié)腸的單細(xì)胞空間圖譜

通過單細(xì)胞測(cè)序，對(duì)健康參與者（HC，n = 6）、克羅恩病患者（CD，n = 6）和潰瘍性結(jié)腸炎患者（UC，n = 6）的結(jié)腸活檢樣本進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同分組的患者間，細(xì)胞類型的占比具有差異，在CD或UC患者中發(fā)現(xiàn)了炎癥性成纖維細(xì)胞、中性粒細(xì)胞以及炎癥性M1巨噬細(xì)胞，但在HC中未檢測(cè)到。使用CosMx SMI空間分子成像技術(shù)，對(duì)福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）結(jié)腸樣本（n = 9）進(jìn)行分析，共對(duì)約1000個(gè)基因進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的精準(zhǔn)空間定位和精細(xì)基因表達(dá)。通過整合單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)，獲得了健康和炎癥性腸�。↖BD）結(jié)腸活檢組織的細(xì)胞組成特征，在單細(xì)胞空間分辨率下生成健康和結(jié)腸患病的空間細(xì)胞圖譜。
 

Fig.1 單細(xì)胞RNA測(cè)序和單細(xì)胞空間原位分子成像技術(shù)（CosMx SMI）整合結(jié)果

2. 單細(xì)胞測(cè)序和單細(xì)胞空間原位轉(zhuǎn)錄組分析揭示結(jié)腸粘膜中常駐和炎性巨噬細(xì)胞的不同細(xì)胞群體

研究人員通過CosMx SMI分析了組織切片中的髓系細(xì)胞亞群，發(fā)現(xiàn)不同患者間的髓系細(xì)胞亞群在細(xì)胞豐度和空間分布上存在明顯差異。在健康結(jié)腸中，常駐巨噬細(xì)胞最接近粘膜表面，而肥大細(xì)胞和DC則分布在粘膜深層。而在炎癥樣本中，髓系細(xì)胞區(qū)的重塑M1巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞最靠近粘膜表面（潰瘍區(qū)域）。
 

Fig.2 健康和炎癥結(jié)腸黏膜髓系細(xì)胞亞群分析

3. IDA巨噬細(xì)胞表達(dá)神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1

scRNA-seq數(shù)據(jù)顯示，神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1基因（NRG1）在 IDA巨噬細(xì)胞中顯著表達(dá)，并且這一結(jié)果在bulk RNA-seq分析中也得到了驗(yàn)證。
 

Fig.3 Neuregulin 1在結(jié)腸黏膜中的表達(dá)與功能

4. 單細(xì)胞空間原位分析揭示IDA巨噬細(xì)胞的擴(kuò)張以及其在炎癥性腸病結(jié)腸中的組織分布

通過對(duì)CosMx SMI數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大量IDA巨噬細(xì)胞散布在整個(gè)炎癥結(jié)腸中，揭示了炎癥依賴性巨噬細(xì)胞的擴(kuò)張狀態(tài)。而M1巨噬細(xì)胞主要分布在表面潰瘍中，在固有層和粘膜下層數(shù)量較少。此外，研究者在一名CD患者組織中發(fā)現(xiàn)了大量肉芽腫（巨噬細(xì)胞的聚集體，是對(duì)持續(xù)性炎癥或感染的反應(yīng)）。其中IDA巨噬細(xì)胞、M2巨噬細(xì)胞、少數(shù) M0和M1巨噬細(xì)胞是分布在肉芽腫中主要的巨噬細(xì)胞類型，而在肉芽腫周圍被一些淋巴細(xì)胞亞群包圍。免疫熒光也得到了相同的結(jié)果。與固有層巨噬細(xì)胞相比，肉芽腫中NRG1的表達(dá)量較低，說明雖然炎癥結(jié)腸中存在大量的IDA巨噬細(xì)胞，但由于根據(jù)其所處的組織空間位置的不同，NRG1的表達(dá)也有差異，提示可能發(fā)揮不同的功能。
 

Fig.4 IDA巨噬細(xì)胞廣泛分布于潰瘍性結(jié)腸炎以及存在于克羅恩病肉芽腫中

5. 炎癥性成纖維細(xì)胞與IDA巨噬細(xì)胞在炎癥性腸病中共定位

上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在UC和CD患者組織中分布了大量的IDA巨噬細(xì)胞，并且在不同患者中的空間分布存在異質(zhì)性。因此，研究人員通過CosMx SMI分析了IDA巨噬細(xì)胞周圍的細(xì)胞類型和空間特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在UC和CD患者的基質(zhì)區(qū)和肉芽腫區(qū)域，IDA巨噬細(xì)胞與炎性成纖維細(xì)胞具有高度的空間相關(guān)性。最近的一項(xiàng)研究表明，前列腺素由活化的成纖維細(xì)胞產(chǎn)生，并驅(qū)動(dòng)表達(dá)HBEGF和EREG的 IDA樣巨噬細(xì)胞分化。因此，研究人員認(rèn)為炎性成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞可能通過特定配體和受體在IBD中發(fā)生互作。
 

Fig.5 IDA巨噬細(xì)胞與炎癥成纖維細(xì)胞共定位

6. 中性粒細(xì)胞亞群在炎癥性結(jié)腸黏膜組織中的異質(zhì)性及空間分布

根據(jù)腸道中性粒細(xì)胞的3種不同狀態(tài)，分別了注釋3個(gè)中性粒細(xì)胞亞群（N1、N2和N3），并且這3個(gè)亞群的細(xì)胞相對(duì)豐度和基因表達(dá)譜在不同疾病及不同患者間具有明顯差異。通過CosMx SMI對(duì)這3個(gè)中性粒細(xì)胞亞群的空間分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要分布于隱窩膿腫和潰瘍區(qū)，并且在固有層呈分散分布。
 

Fig.6 炎癥性腸病結(jié)腸黏膜中中性粒細(xì)胞群體的異質(zhì)性分析

 
主要結(jié)論 

本研究通過單細(xì)胞測(cè)序結(jié)合單細(xì)胞空間原位技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在UC和CD中，差異最明顯的為髓系細(xì)胞群中的巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞亞群，這些細(xì)胞群體的豐度和空間分布差異可以在一定程度解釋疾病的異質(zhì)性。腸道巨噬細(xì)胞能夠感知微環(huán)境的變化，可以作為反映患者特異性分子模式的可靠指標(biāo)。此外，通過將scRNA-seq與CosMx SMI技術(shù)結(jié)合，能夠更深入地研究細(xì)胞亞群間的相互作用，從而提供了關(guān)鍵的生態(tài)位信息。這種空間分辨率解析對(duì)于理解細(xì)胞功能以及將生物學(xué)上相關(guān)的相互作用與特定的細(xì)胞類型聯(lián)系非常重要。
 
參考文獻(xiàn) 
Garrido-Trigo A, Corraliza AM, Veny M, et al. Macrophage and neutrophil heterogeneity at single-cell spatial resolution in human inflammatory bowel disease. Nat Commun. 2023;14(1):4506. Published 2023 Jul 26. doi:10.1038/s41467-023-40156-6