慢性阻塞性肺疾�。ê喎Q“慢阻肺”），英文簡稱“COPD”，也就是我們?nèi)粘Ｉ�活中所說的慢性支氣管炎和肺氣腫，主要癥狀為長時(shí)間咳嗽、咳痰以及氣短，是慢性支氣管炎和肺氣腫的總稱。COPD具有進(jìn)行性、不可逆特征，久而久之將演變成肺心病，最后可能累及全身各系統(tǒng)。世界衛(wèi)生組織將每年11月第三周的周三定為世界慢阻肺日，宗旨是幫助人們提高對慢阻肺的認(rèn)識，改善慢阻肺診斷不足和治療不力的現(xiàn)狀。

2022年1月25日，Nature communications（IF=17.694）上發(fā)表了一篇題為Characterization of the COPD alveolar niche using single-cell RNA sequencing的研究論文。作者分析了來自患有晚期COPD及對照組的外植肺組織的scRNA-seq圖譜，并通過香煙煙霧誘導(dǎo)10個(gè)月的小鼠模型進(jìn)行scRNA-seq作為驗(yàn)證。通過對患者單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析，定義了一個(gè)肺泡上皮II型細(xì)胞亞群，該亞群表征出細(xì)胞代謝功能異常以及細(xì)胞應(yīng)激耐受性降低的特點(diǎn)。同時(shí)通過轉(zhuǎn)錄組網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)COPD患者中，毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞CXCL趨化因子升高介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。最后，在晚期COPD患者中，鑒定出了高表達(dá)金屬硫蛋白的巨噬細(xì)胞亞群。該研究突出了晚期COPD患者病理中所涉及的細(xì)胞特異性機(jī)制。

 

研究內(nèi)容

1、利用scRNAseq數(shù)據(jù)分析慢性阻塞性肺病的細(xì)胞類型

作者重新分析了之前從移植肺中獲得的scRNA-seq譜，主要集中在17例晚期COPD患者和年齡相仿的15例對照組樣本（圖1A）。最終的數(shù)據(jù)集包括來自對照組肺的49,976個(gè)細(xì)胞和來自COPD肺的61,564個(gè)細(xì)胞，基于代表性標(biāo)記基因，在對照組和COPD肺中識別出37種不同的細(xì)胞類型（圖1B）。為了驗(yàn)證研究結(jié)果，對小鼠的肺組織細(xì)胞進(jìn)行了scRNA-seq測序，并通過香煙煙霧誘導(dǎo)來構(gòu)建小鼠疾病模型。

圖1 利用scRNA-seq數(shù)據(jù)分析COPD的細(xì)胞類型

 

2、AT2亞群與COPD病理和遺傳有關(guān)

介于上皮細(xì)胞在研究COPD病理學(xué)中的重要地位，作者首先分析了患者和對照組scRNA-seq數(shù)據(jù)中上皮細(xì)胞群的轉(zhuǎn)錄譜，并鑒定出了所有主要的上皮細(xì)胞類型，包括I型肺泡上皮細(xì)胞（AT1），AT2，纖毛細(xì)胞，杯狀細(xì)胞和俱樂部細(xì)胞（圖2A）。

鑒定出了兩個(gè)AT2亞群，其中一個(gè)亞群由典型AT2標(biāo)記表達(dá)增加的細(xì)胞組成，如SFTPA1、SFTPC2和ETV5，并將其命名為AT2B細(xì)胞（圖2C）。作者還發(fā)現(xiàn)AT2B細(xì)胞是肺組織中HHIP的主要表達(dá)者，且HHIP的表達(dá)與AT2B細(xì)胞的marker表達(dá)顯著相關(guān)。通過將scRNA-seq數(shù)據(jù)與GWAS數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，發(fā)現(xiàn)AT2B細(xì)胞與肺功能或聯(lián)合數(shù)據(jù)集都有著極其顯著的關(guān)聯(lián)。

圖2 COPD上皮細(xì)胞和AT2B細(xì)胞在COPD發(fā)病中的重要性

 

3、COPD AT2B細(xì)胞中代謝和細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)基因表達(dá)的改變

進(jìn)一步分析AT2B細(xì)胞中的基因表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)COPD肺組織中AT2中的NUPR1表達(dá)降低。為了確定NUPR1在患者AT2細(xì)胞中表達(dá)減少的功能意義，對A549細(xì)胞使用香煙煙霧提取物（CSE）進(jìn)行誘導(dǎo)后，發(fā)現(xiàn)NUPR1表達(dá)增加，而抑制其表達(dá)后，明顯發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的死亡敏感性增加。隨后，作者篩選了調(diào)控細(xì)胞死亡的化學(xué)抑制劑，通過細(xì)胞毒性和活力測定，發(fā)現(xiàn)只有去鐵胺降低了缺乏NUPR1的A549細(xì)胞死亡敏感性，并通過流式結(jié)果證明了這一發(fā)現(xiàn)。上述結(jié)果表明，在COPD的AT2細(xì)胞中，NUPR1表達(dá)降低，可能會(huì)通過影響鐵死亡從而增加細(xì)胞的死亡敏感性。

圖3 COPD中AT2B細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)異常

 

4、內(nèi)皮損傷和炎癥的COPD特異性特征

作者接著又轉(zhuǎn)向了內(nèi)皮細(xì)胞的分析，首先鑒定了所有的內(nèi)皮細(xì)胞類型，包括動(dòng)脈、靜脈、淋巴和全身支氣管周圍內(nèi)皮細(xì)胞，以及兩種獨(dú)特的毛細(xì)血管群。作者還發(fā)現(xiàn)在多種內(nèi)皮細(xì)胞類型中存在許多重疊的差異表達(dá)基因�？偠�言之，這些發(fā)現(xiàn)顯示了晚期COPD患者的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞中存在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)和炎癥反應(yīng)的獨(dú)特病理特征。

圖4 COPD內(nèi)皮細(xì)胞類型表現(xiàn)出普遍的和細(xì)胞類型特異性的轉(zhuǎn)錄畸變

 

5、網(wǎng)絡(luò)分析確定了內(nèi)皮CXCL信號在COPD中的關(guān)鍵作用

作者確定了毛細(xì)血管內(nèi)皮是COPD患者肺泡炎癥反應(yīng)的主要原因，基于預(yù)測的配受體相互作用預(yù)測，構(gòu)建了細(xì)胞通訊網(wǎng)絡(luò)圖。發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞、AT1和AT2細(xì)胞在網(wǎng)絡(luò)中具有較高的連通性，同時(shí)通過計(jì)算細(xì)胞類型輸入輸出的權(quán)重變化，發(fā)現(xiàn)權(quán)重變化最大的是gCap中CXCL-motif信號通路的增加，并且這一增加現(xiàn)象是在COPD患者中所獨(dú)有的，在吸煙者的健康對照組中并不存在。同樣，在香煙煙霧誘導(dǎo)的小鼠疾病模型中，也發(fā)現(xiàn)了CXCL信號通路的增加。隨后，為了確定促進(jìn)gCap中CXCL信號通路增加的特定配受體對，發(fā)現(xiàn)輸出的CXCL的信號通路的增加主要是由于CXCL12和編碼CXCL12相互作用分子的基因(CXCR3,CXCR4)的表達(dá)增加，免疫染色結(jié)果也同樣證明了這一點(diǎn)。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明COPD患者中毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞輸出CXCL12信號具有重要作用。

 

研究結(jié)論

總的來說，該研究結(jié)果提供了COPD肺中肺泡龕的高分辨率單細(xì)胞圖譜。該圖譜發(fā)現(xiàn)了COPD中不同上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞群中先前未被發(fā)現(xiàn)的基因表達(dá)變化和細(xì)胞相互作用，突出了COPD中細(xì)胞損傷和炎癥的復(fù)雜性和多樣性。未來的研究評估在本文中確定的特定轉(zhuǎn)錄異常的結(jié)果，將有助于深入了解導(dǎo)致疾病的機(jī)制。

 

參考文獻(xiàn)：

Sauler M, McDonough JE, Adams TS, Kothapalli N, Barnthaler T, Werder RB, Schupp JC, Nouws J, Robertson MJ, Coarfa C, Yang T, Chioccioli M, Omote N, Cosme C Jr, Poli S, Ayaub EA, Chu SG, Jensen KH, Gomez JL, Britto CJ, Raredon MSB, Niklason LE, Wilson AA, Timshel PN, Kaminski N, Rosas IO. Characterization of the COPD alveolar niche using single-cell RNA sequencing. Nat Commun. 2022 Jan 25;13(1):494. doi: 10.1038/s41467-022-28062-9. PMID: 35078977; PMCID: PMC8789871.