單細胞多組學和空間轉(zhuǎn)錄組分析揭示腎臟疾病進展中纖維化微環(huán)境作用

 
文章題目：Single-cell multi-omic and spatial profiling of human kidneys implicates the fibrotic microenvironment in kidney disease progression
發(fā)表期刊：Nature genetics  
影響因子：31.7
技術(shù)平臺：10x Genomics Chromium、10x Visium、NanoString CosMx SMI

01、研究思路

 
02、文章前言

腎臟纖維化是一種常見的病理過程，與多種慢性腎臟疾病相關(guān)，其特征是腎臟組織中的細胞外基質(zhì)積累和結(jié)構(gòu)性損傷。盡管已有大量研究關(guān)注纖維化的分子機制，但了解其在細胞層面的異質(zhì)性和空間分布仍然是一個重要的研究領(lǐng)域。通過使用單細胞RNA測序（scRNA-seq）、單核RNA測序（snRNA-seq）、單核染色質(zhì)可及性測序（snATAC-seq）以及Visium和CosMx SMI空間轉(zhuǎn)錄組測序平臺，對81個腎臟樣本的近338600個單細胞/細胞核進行了分析。

研究旨在揭示健康和疾病狀態(tài)下腎臟細胞類型和組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并確定纖維化微環(huán)境在腎病預(yù)后中的作用。

多模態(tài)分析概述及樣本的基本臨床特征

 
03、主要結(jié)論  

1. 通過分析81份人類腎臟組織樣本，生成了空間分辨率的腎臟單細胞圖譜

利用snRNA-seq、scRNA-seq和snATAC-seq技術(shù)的數(shù)據(jù)生成包含了338565個細胞/細胞核了腎臟的單細胞圖譜�？傮w確定了六個細胞超家族：內(nèi)皮細胞、基質(zhì)細胞、小管上皮細胞、免疫細胞類型、腎小球細胞和神經(jīng)細胞，進一步分析確定了44種主要細胞亞型和114種不同的細胞亞型或細胞狀態(tài)。

人類腎臟的綜合多組學單細胞圖譜

 
2. 使用Visium和CosMx SMI對已識別細胞類型的空間位置和標記基因表達進行分析

使用Visium和CosMx SMI兩個平臺從FFPE腎臟樣本中生成空間數(shù)據(jù)。基于Visium基因表達數(shù)據(jù)反卷積來識別單個細胞類型的存在，細胞類型以藍色顯示在H&E上，識別出了腎小球細胞類型、PT細胞類型、免疫和纖維化細胞類型、遠端小管細胞類型和亨利環(huán)細胞類型。使用CosMx SMI技術(shù)驗證了這些細胞類型的更加詳細的空間位置。

空間分辨的人類腎臟

 
3. 纖維化疾病樣本中的基質(zhì)細胞具有異質(zhì)性

通過結(jié)合膠原蛋白、糖蛋白和蛋白聚糖的表達創(chuàng)建了ECM評分。與健康樣本相比，疾病樣本的肌成纖維細胞頻率更高，且位于高ECM評分區(qū)域內(nèi)。隨后對32706個基質(zhì)細胞進行聚類，區(qū)分出12種不同的細胞亞型，并識別了系膜細胞（ITGA8和POSTN）、VSMC（MYH11、NOTCH3和NTRK3）、成纖維細胞（KCNK2和FAP）和肌成纖維細胞（COL1A1和SYNPO2）的標志物。利用SMI技術(shù)描繪了基質(zhì)細胞亞型的空間位置以及特定標記基因表達。使用KEGG分析發(fā)現(xiàn)肌成纖維細胞表現(xiàn)出粘著斑富集和 TGFβ信號通路富集。

人類腎臟基質(zhì)細胞圖譜

 
4. 定義了人類腎臟的纖維化微環(huán)境（FME）

對Visium數(shù)據(jù)集進行非負矩陣分解（NMF），發(fā)現(xiàn)主要由腎小球、腎小管、纖維化和免疫區(qū)域組成的4個微環(huán)境區(qū)。還發(fā)現(xiàn)了一種由樹突細胞、漿細胞以及B和T淋巴細胞組成特異性免疫微環(huán)境區(qū)位于FME內(nèi)。FMEs中的iPT細胞表達SPP1和PDGFB，并表現(xiàn)出與基質(zhì)細胞的強烈相互作用。進一步的細胞相互作用分析顯示，F(xiàn)ME基質(zhì)細胞中富集了CXCL12、CCL19、CCL21，而它們的受體在不同的免疫細胞中表達，這表明基質(zhì)細胞可能向免疫細胞發(fā)出信號。

人類腎臟的FME

 
5. 腎臟纖維化中存在受損腎小管細胞（iPT細胞）

研究發(fā)現(xiàn)，iPT細胞在FME中富集，并且在疾病樣本中數(shù)量增加。iPT細胞包括兩個亞型，一種表達VCAM1、ACSL1、ASS1和ASPA等基因，具有細胞代謝功能（稱為iPT-VCAM1+）；另一種表達HAVCR1、NFKBIZ、IL-18和ITGB1等基因，與細胞粘附和基質(zhì)相關(guān)（稱為iPT-HAVCR1+）。iPT-HAVCR1+細胞主要出現(xiàn)在慢性腎病（CKD）樣本中。對PT和iPT細胞進行偽時間分析表明，PT細胞和iPT細胞之間存在連續(xù)的分化路徑。

患病人體腎臟中的iPT細胞

 
6. FME-GS能夠預(yù)測疾病進展以及疾病預(yù)后

使用FME基因特征（FME-GS）分析了292個腎臟樣本的外部數(shù)據(jù)集，其中包括健康樣本和不同嚴重程度的CKD樣本。FME-GS成功區(qū)分了較高纖維化和較低eGFR的病情較嚴重樣本和較健康樣本。進一步利用FME-GS預(yù)測腎臟疾病的預(yù)后，結(jié)果顯示，F(xiàn)ME-GS得分最高的樣本達到終點事件（eGFR變化40%或達到終末期腎功能衰竭）的概率高出四倍。Kaplan-Meier分析顯示，F(xiàn)ME-GS得分最高的簇1組達到終點事件的風險顯著更高。說明FME-GS能夠更好地預(yù)測腎臟疾病，超過了傳統(tǒng)的纖維化評分。

FME-GS成功預(yù)測了一個大型腎臟樣本隊列中的疾病預(yù)后

 
04、文章總結(jié)  

本研究利用單細胞和Visium、CosMx SMI空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)對腎臟樣本進行分析，研究詳細描述了腎臟中不同細胞類型及其在健康和疾病狀態(tài)下的分布情況。

利用空間信息數(shù)據(jù)集和解卷積分析，研究人員定義了四種腎臟微環(huán)境：免疫、纖維化、腎小球和腎小管。表達HAVCR1的受損近端小管（iPT）細胞在纖維化區(qū)域中顯著富集，暗示其在腎臟疾病進展中的潛在角色。纖維化微環(huán)境中的特定基因表達譜（FME-GS）可以有效區(qū)分不同程度的疾病樣本以及預(yù)測疾病的進展風險。通過這些技術(shù)，研究揭示了腎臟細胞群體和微環(huán)境的高度異質(zhì)性。

總之，這項研究為理解腎臟纖維化的病理機制提供了新的見解，并為未來的診斷和治療策略提供了潛在的靶點。