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Nature︱修正人类远端肺细胞图谱和谱系轨迹

人类疾病通常伴有异位或异常的细胞类型或细胞状态,毫无疑问,绘制构成复杂组织的大量细胞的空间分布和分子特性对于理解健康和疾病中的组织动力学至关重要,例如,肺。


迄今为止,大多数肺部细胞图谱的研究都依赖于活检样本或从支气管刷检中收集的细胞的分离,但是,这并不能代表整个肺,也缺乏详细的空间分辨率。肺部的结构是非常复杂的,其中位于气道和肺泡交界处的终末和呼吸道细支气管 (TRB),其构成了一个过渡区,被认为与许多呼吸系统疾病密切相关,包括特发性肺纤维化 (IPF慢性阻塞性肺病 (COPD)。然而,由于TRB的长度(小于2毫米)和直径(小于1毫米)都非常小,因此很难捕获这些区域中存在的细胞,而且这些区域在解剖学上与小鼠肺中的连接区域截然不同。因此,目前TRB的细胞组成仍然难以捉摸,人们尚未获得其综合图谱。


近日,来自美国杜克大学医学院的Purushothama Rao Tata团队在Nature上在线发表题为 Human distal lung maps and lineage hierarchies reveal a bipotent progenitor 的文章,利用显微解剖远端气道的空间转录组学和单细胞分析,确定并描述了之前从未被表征过的分子上不同的3种TRB细胞类型——气道相关的LGR5+成纤维细胞、TRB特异性肺泡0型 (AT0) 细胞和TRB 分泌细胞 (TRB-SC),同时揭示了驱动双能AT0细胞状态分化为正常或病理状态的机制,不仅修正了人类肺细胞图谱和谱系轨迹,而且提示了灵长类肺部再生和疾病中的上皮过渡状态。


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为了在分子和空间上建立人类气道细胞图谱,本文研究人员同时采用了两种方法(图1)。首先,研究人员使用Visium技术对肺部切片进行了空间转录组(ST)分析;其次,研究人员从周围组织显微解剖远端气道(直径小于1毫米并与肺泡相邻),分离后,进行单细胞转录组分析。将聚类的18个不同的上皮细胞聚类根据SFTPB表达的存在与否分为两个不同的群体,即SFTPB-群体(不表达)和SFTPB+群体(表达)。将这些基因的表达模式与ST数据进行直接比较,并综合分析单细胞RNA测序(scRNA-seq)和ST数据,结果显示SFTPB-群体标记物与近端气道相关,而SFTPB+群体的标记物则存在于远端气道。此外,SFTPB-和SFTPB+群体标记物的表达模式将气道分隔成四个组织学上不同的区域,而且一些属于SFTPB+群体和位于TRB的细胞类型在以往研究的健康人类肺部scRNA-seq数据中并不存在。以此确定了之前尚未在人类气道中被表征过的区域特异性标志物和细胞类型。


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图1


随后,研究人员发现了共表达SFTPB但在SCGB1A1、FOXJ1、SCGB3A2和SFTPC表达上不同的上皮细胞类型,进一步的分析表明,这些细胞类型中的每一种都显示出远端气道内的特定定位模式。第一类是表达SFTPB和SCGB3A2但缺乏SCGB1A1、FOXJ1和SFTPC的细胞群,是TRB特有的,称为TRB分泌细胞(TRB-SC);第二类是SFTPB+S CGB3A2+SCGB1A1+ 的细胞,位于末端细支气管近端的远端气道,称为末端细支气管前分泌细胞(pre-TB-SC);第三类以SFTPB、SCGB3A2和SFTPC的表达为特征,与呼吸性细支气管相邻的肺泡间隔有关,在远端肺泡囊中很少见,由于这些细胞与典型肺泡上皮细胞(肺泡1型和肺泡2型细胞)具有相似的转录谱和定位,被称为肺泡0型上皮细胞(AT0);第四类,是一种分泌纤毛的“混合”细胞类型,其特征是SCGB3A2、SFTPB和FOXJ1的共表达,称为SCGB3A2纤毛细胞 (SCGB3A2-CC)。此外,研究人员还观察到四种类型的基底细胞群,通过比较离体远端和近端气道上皮细胞的表型特性,最终确定了人类肺中分子、空间和表型不同的基底细胞亚群。


在肺中,多种间充质细胞群已被证明可占据不同的生态位,并向相邻细胞提供感应信号。因此,研究人员将scRNA-seq数据中的成纤维细胞与之前描述的人类肺参考数据集进行比较与注释,除了已被确定的7类细胞聚类,本文研究人们还发现了一类特有的成纤维细胞群——LGR5成纤维细胞,表现出独特的转录调控。随后远端基底细胞的共培养实验证实,位于远端气道中的LGR5成纤维细胞可以支持邻近基底细胞的生长并维持其分子特征,表明LGR5成纤维细胞可作为远端气道上皮细胞的生态位。


进一步地,研究人员利用计算机模拟预测,并经过类器官模型验证,发现AT2可首先转化为AT0,然后AT0在EGF缺失时转化为TRB-SC(TRB-SC组织成类似于人类肺部病理状态下的细支气管化结构的三维上皮囊肿),或者在添加血清后转变为AT1。与此同时,研究人员还发现,AT0细胞和TRB-SC在灵长类动物中是保守的,并在人类肺发育过程中是动态出现的。使用非人类灵长类动物肺损伤模型,结合急性肺损伤和IPF患者的组织标本,研究人员发现AT0主要分布在轻度纤维化区域,这些区域与正常AT2区域相邻并散布在它们之间,提示AT2正向AT0过渡;相比之下,TRB-SC样细胞大多出现在类似于“细支气管化区域”的经典组织学描述的严重的纤维化区域(图2)。由此表明AT2可以获得双能AT0细胞状态,并依据周围环境而转变为AT1或TRB-SC。


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图2


综上所述,本研究全面的高分辨率空间转录组学分析揭示了7种分子不同的细胞类型,并提供了它们在包括TRB在内的远端气道中的参考图谱。空间和分子分析将大叶气道划分为四个不同的区域,这些区域的分泌细胞组成各不相同,而这些差异也提示了对肺部疾病产生重大影响的因素,与此同时,确定了一种称为AT0的双潜能细胞类型,为肺再生和肺部疾病机制的揭示提供了重要意义。


原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04541-3


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