編者按

炎癥性腸病（IBD）是由免疫介導的慢性胃腸道疾病，分為克羅恩病（CD）和潰瘍性結(jié)腸炎（UC），但這兩種疾病在疾病進展和治療反應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特征來解釋和預測該現(xiàn)象，因此了解疾病異質(zhì)性背后復雜的分子機制，成為亟需解決的問題。本項研究結(jié)合單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞空間原位分子成像（CosMx SMI）技術對IBD進行深入分析。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胞，主要包括巨噬細胞和中性粒細胞。研究人員進一步利用了CosMx SMI單細胞空間原位分子成像技術對每個巨噬細胞和中性粒細胞亞群進行精細的空間定位和單細胞轉(zhuǎn)錄組表達檢測，在組織空間維度全面揭示了巨噬細胞的多樣性和可塑性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)巨噬細胞和炎性成纖維細胞參與構(gòu)建了強大的通訊網(wǎng)絡，闡釋了人類炎性腸病的細胞復雜性和導致IBD異質(zhì)性的潛在機制。

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

技術路線示意圖
 

研究結(jié)果 

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

通過單細胞測序，對健康參與者（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)腸活檢樣本進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同分組的患者間，細胞類型的占比具有差異，在CD或UC患者中發(fā)現(xiàn)了炎癥性成纖維細胞、中性粒細胞以及炎癥性M1巨噬細胞，但在HC中未檢測到。使用CosMx SMI空間分子成像技術，對福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）結(jié)腸樣本（n = 9）進行分析，共對約1000個基因進行檢測，實現(xiàn)細胞的精準空間定位和精細基因表達。通過整合單細胞RNA測序數(shù)據(jù)，獲得了健康和炎癥性腸�。↖BD）結(jié)腸活檢組織的細胞組成特征，在單細胞空間分辨率下生成健康和結(jié)腸患病的空間細胞圖譜。
 

Fig.1 單細胞RNA測序和單細胞空間原位分子成像技術（CosMx SMI）整合結(jié)果

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

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

Fig.2 健康和炎癥結(jié)腸黏膜髓系細胞亞群分析

3. IDA巨噬細胞表達神經(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巨噬細胞中顯著表達，并且這一結(jié)果在bulk RNA-seq分析中也得到了驗證。
 

Fig.3 Neuregulin 1在結(jié)腸黏膜中的表達與功能

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

通過對CosMx SMI數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大量IDA巨噬細胞散布在整個炎癥結(jié)腸中，揭示了炎癥依賴性巨噬細胞的擴張狀態(tài)。而M1巨噬細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（巨噬細胞的聚集體，是對持續(xù)性炎癥或感染的反應）。其中IDA巨噬細胞、M2巨噬細胞、少數(shù) M0和M1巨噬細胞是分布在肉芽腫中主要的巨噬細胞類型，而在肉芽腫周圍被一些淋巴細胞亞群包圍。免疫熒光也得到了相同的結(jié)果。與固有層巨噬細胞相比，肉芽腫中NRG1的表達量較低，說明雖然炎癥結(jié)腸中存在大量的IDA巨噬細胞，但由于根據(jù)其所處的組織空間位置的不同，NRG1的表達也有差異，提示可能發(fā)揮不同的功能。
 

Fig.4 IDA巨噬細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. 炎癥性成纖維細胞與IDA巨噬細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巨噬細胞周圍的細胞類型和空間特征。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巨噬細胞與炎性成纖維細胞具有高度的空間相關性。最近的一項研究表明，前列腺素由活化的成纖維細胞產(chǎn)生，并驅(qū)動表達HBEGF和EREG的 IDA樣巨噬細胞分化。因此，研究人員認為炎性成纖維細胞和巨噬細胞可能通過特定配體和受體在IBD中發(fā)生互作。
 

Fig.5 IDA巨噬細胞與炎癥成纖維細胞共定位

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

根據(jù)腸道中性粒細胞的3種不同狀態(tài)，分別了注釋3個中性粒細胞亞群（N1、N2和N3），并且這3個亞群的細胞相對豐度和基因表達譜在不同疾病及不同患者間具有明顯差異。通過CosMx SMI對這3個中性粒細胞亞群的空間分布進行分析，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)腸黏膜中中性粒細胞群體的異質(zhì)性分析

 
主要結(jié)論 

本研究通過單細胞測序結(jié)合單細胞空間原位技術，發(fā)現(xiàn)在UC和CD中，差異最明顯的為髓系細胞群中的巨噬細胞和中性粒細胞亞群，這些細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。此外，通過將scRNA-seq與CosMx SMI技術結(jié)合，能夠更深入地研究細胞亞群間的相互作用，從而提供了關鍵的生態(tài)位信息。這種空間分辨率解析對于理解細胞功能以及將生物學上相關的相互作用與特定的細胞類型聯(lián)系非常重要。
 
參考文獻 
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