Nat Genet | 人类肺空间细胞图谱揭示腺体相关免疫生态位

来自英国威康桑格研究所、剑桥大学的研究人员联合单细胞、空间转录组学（spatial transcriptomics，ST）方法，对已故器官捐赠者的健康肺和气道进行深层组织细胞解析，并沿着呼吸树从近端到远端轴线对组织细胞类型进行表征，共鉴定了80种细胞类型/状态，其中涵盖11种在先前的肺图谱研究中未被定义的细胞类型，构建了全面的人肺细胞图谱，并定义了一个腺体相关免疫生态位（gland-associated immune niche，GAIN）。该文章2022年12月发表于Nature Genetics，以下是文章的详细解读。

文章题目：A Spatially Resolved Atlas of the Human Lung Characterizes a Gland-Associated Immune Niche

发表时间：2022-12-21

发表期刊：Nature Genetics

主要研究团队：英国威康桑格研究所、剑桥大学等

影响因子：41.307

DOI：10.1038/s41588-022-01243-4

研究背景

肺不仅是呼吸系统的重要器官，而且还具有重要的免疫屏障功能。全面解析肺功能中的细胞类型和免疫微环境对于了解和治疗人类肺部疾病十分关键。本研究作为国际人类细胞图谱计划（Human Cell Atlas Initiative）的一部分，通过单细胞结合空间的多组学解析，提供了人健康肺的全面图谱和细胞互作信息，为HLCA增加了一个关键维度。

研究成果

1. 人肺和气道的空间多组学图谱

研究人员通过scRNA-seq、snRNA-seq、VDJ-seq和ST等多组学技术，深层解析了人类肺部和气道的5个近端到远端位置的组织样本，并捕获了软骨、肌肉和粘膜下腺（submucosal glands，SMG）等结构（图1a）。结果显示，13名捐赠者肺组织中的193,108个细胞和细胞核被注释为上皮细胞、免疫细胞、红系细胞、内皮细胞和间质细胞（图1b）。研究人员利用cell2location算法估算单个位置上不同细胞类型的丰度，并将这些估算值与真实的细胞类型比例进行比较，发现与预期结果一致（图1c、1d）。为检测技术手段、解离方法和采样位置对于结果的影响，研究人员还使用了泊松线性混合效应模型，确定了每个技术变量的贡献（图1e）。

图1 人肺和气道单细胞空间多组学图谱解析细胞类型及其空间位置

2. 具有免疫募集特性的罕见成纤维细胞亚群

研究人员对成纤维细胞的亚群进行聚类和注释（图2a、2b），确定了11种不同的成纤维细胞亚群，分别是先前研究已被描述过的肌成纤维细胞、间皮细胞、外膜细胞、肺泡成纤维细胞，以及7种新的细胞亚群，其中包括一种罕见的细胞类型，被称为免疫募集成纤维细胞（immune recruiting fibroblasts，IR-fibro）。IR-fibr细胞表达趋化因子CCL19和CCL21，可与成纤维细胞网状细胞和滤泡树突状细胞的其他标记基因（如CXCL12、GREM1、CXCL13、FDCSP）共同负责免疫细胞（T和B细胞）在次级淋巴器官中的定位（图2c）。研究人员通过smFISH对IR-fibro的定位进行了验证（图2d）。

图2 IR-fibro成纤维细胞及其空间位置

3. 体循环和肺循环中的血管细胞类型

研究人员可以通过实质（肺血管）和气管（系统血管）的特异性富集来区分肺和体循环细胞簇（图3a、3b）。利用ST，研究人员进一步区分了动脉内皮细胞类型[全身动脉内皮细胞 (E-Art-syst) 和肺动脉内皮细胞 (E-Art-pulm)]（图3a、3c）、非血管气道平滑肌细胞、肺及全身平滑肌/血管周围细胞[肺平滑肌肌肉、肺周细胞（Peri-pulm）、全身动脉平滑肌（SM-Art-syst）、全身性周细胞（Peri-syst），以及静脉血管周围细胞，即免疫募集血管细胞（IR-Ven-Peri）]（图3a~c、3f）。

图3 体循环和肺循环的细胞类型

IR-Ven-Peri表达ABCC9和ICAM1，但不表达CSPG4，类似于毛细血管后静脉血管周围细胞，这对免疫细胞归巢到外周淋巴结很重要（图3d、3e）。IR-Ven-Peri 表达趋化因子（图3e）并与静脉内皮血管（ACKR1+）共定位，这通过ST（图3f）和smFISH显微镜（图3g）在支气管切片中得到验证。

4. 人气道中的IgA浆细胞与SMG共定位

在上皮细胞隔室中，研究人员鉴定了已知和罕见的细胞类型，并转录定义了人类SMG导管细胞（图4a），这些细胞在气管中富集，以前仅在小鼠的单细胞水平下进行了表征。ALDH1A3、MIA和RARRES1的smFISH染色验证了SMG的定位，并将这些细胞与其他上皮细胞区分开来（图4b）。此外，研究人员还在snRNA-seq数据中鉴定了肌上皮细胞、表达基底上皮细胞（TP63和KRT14）和肌肉（ACTA2、TAGLN和CNN1阳性，但DES阴性）标记物，并定位于腺体周围（图4a）。

研究人员确定了所有主要的免疫细胞群（图4c）。T淋巴细胞和自然杀伤细胞（natural killer，NK）包括CD4 T、CD8 T、粘膜相关不变性T、NK、NKT、先天淋巴样细胞及其亚群。B细胞包括原始B细胞和记忆B细胞、IgA和IgG浆细胞，以及浆母细胞。其中，IgA对粘膜免疫至关重要，且在气道样本中最常见（图4d）。在ST数据中，研究人员发现IgA浆细胞定位于气道SMG，与导管细胞、粘液细胞和浆液细胞共定位，而IgG定位于免疫浸润（图4e）。

为在单细胞分辨率下剖析这一生态位，研究人员使用多重IHC来确认SMG中存在的是IgA而非IgG细胞，并在人SMG中检测到IgD+原始B细胞和CD3+、CD4+T辅助细胞（图4g）。这些不同类型的细胞共同构成了一个与疾病相关的免疫生态位，研究人员将其命名为“腺体相关免疫生态位”（GAIN）。

图4 IgA浆细胞与SMG共定位

粘膜IgA对于预防呼吸道感染很重要。研究人员发现在已发表的鼻腔、气管和支气管刷子样本的单细胞数据中，与健康对照组相比，COVID-19患者的IgA浆细胞比例增加（图4h）。

5. 细胞-细胞相互作用和SMG免疫细胞生态位

研究人员进一步探究了SMG中相关的信号转导。跨表面上皮转胞吞型聚合物Ig的PIGR表达在SMG上皮细胞中很高，如CCL28，通过CCR10募集IgA浆细胞（图5a~d）。研究人员通过smFISH证实了CCL28在SMG中的表达，并通过IHC在蛋白质水平上证实了CCL28的表达，并观察到沿近端到远端轴的表达梯度，其中CCL28在SMG导管和气管浆液细胞中最高（图5e）。通过CellChat细胞-细胞相互作用分析，研究人员全面描述了在SMG中募集和维持免疫细胞功能的分子信号通路（图5b~5k）。

图5 SMG中用于B细胞募集和功能维持的细胞-细胞信号传导

GAIN的存在有助于对抗呼吸道感染，并最终促进IgA抗体的产生（图6）。研究人员首次详细描绘了这一复杂的过程。这种新定义的IgA免疫生态位可能在常见肺部疾病和呼吸道感染中发挥重要作用。

图6 人气道GAIN的示意图

总结 

通过将scRNA-seq、snRNA-seq与ST整合，本研究提供了迄今为止最全面的人类肺细胞空间图谱，并揭示了11种新的肺细胞类型/状态。同时，该研究对参与对抗肺部感染的免疫过程提供了详细的新见解。最重要的是，本研究跨越已知的细胞组织单位，在气道SMG处确定了一个先前未定义的IgA浆细胞免疫生态位，这种新的GAIN对呼吸系统健康有影响。

内容 | 胡维宁

审校 | Lina

题图设计 | 彭卫

排版 | 小飞鱼

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