文献回顾--单细胞空间图谱揭示气道壁中的促炎性细胞生态系统及其在健康与哮喘状态下的相互作用

作者，Evil Genius

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今天我们分享文献

知识积累

确定细胞在组织内的空间位置，对于理解定居细胞与炎症细胞间的相互作用至关重要，也是解析疾病驱动机制的关键因素。本研究应用单细胞空间转录组学技术，揭示了健康状态与哮喘发病期间气道壁的整体景观。分析识别出存在于健康与哮喘样本离散空间微环境中的促炎性细胞生态系统。这些细胞聚集枢纽的特征表现为高水平的趋化因子和警报蛋白表达，以及独特的基质细胞组合。

问题背景：现有靶向2型炎症的单抗疗法对部分哮喘患者失效，需更深入理解气道壁内炎症细胞与结构细胞的相互作用。

技术局限：传统单细胞研究因组织解离丢失空间信息，阻碍了对细胞微环境的解析。

核心发现：

• 发现上皮层和黏膜下腺存在独立的促炎细胞生态系统（富含警报蛋白/趋化因子）；
• 鉴定出ACKR1和AREG+肥大细胞等关键空间调节因子；
• 通过伊马替尼干预实验，证明药物可重塑哮喘微环境。

方法论贡献：建立了原位分析药物-靶点互作的空间研究范式。

结果1、哮喘患者气道壁的空间解析图谱

整合两种空间转录组平台（Xenium与GeoMx），系统绘制了哮喘患者气道壁的单细胞空间转录图谱。通过对28例受试者（8例健康，20例轻-重度哮喘）的支气管活检进行分析，研究揭示了18个细胞cluster，其中15个可通过经典标志物明确鉴定。研究发现不同病理状态的样本细胞组成相似，但上皮与内皮细胞存在具有独特转录与空间特征的亚群。空间邻近性分析量化了细胞类型间的相互作用模式，如基底细胞在近距离内优先与其他基底细胞及杯状细胞聚集。

技术整合：结合Xenium（339基因 panel）与GeoMx平台，对健康与哮喘患者气道活检进行空间转录组分析。

细胞图谱：鉴定出15个明确的细胞cluster，覆盖上皮、内皮、平滑肌等主要类型，且细胞组成在个体间及病理状态间相对稳定（Xenium的大部分细胞都可以用经典的marker来定义）。

空间关系：通过量化细胞间最短距离与邻近细胞分布，揭示了不同细胞类型间的特异性空间互作模式（如基底细胞与杯状细胞的近距离聚集）。

平台验证：在独立队列中使用GeoMx进行区域化数字空间分析，结果与Xenium数据相互印证，增强了图谱的可靠性。

结果2、气道壁中的促炎性细胞生态系统

通过空间转录组分析揭示了气道壁中存在两个主要促炎微环境——上皮-上皮下区域和黏液腺区域。研究聚焦于警报蛋白（TSLP、IL-33）和趋化因子在这些区域的表达模式，发现其产生具有高度空间特异性：

空间分布特征：促炎介质在两类区域中呈离散性高表达。上皮侧炎症枢纽集中于上皮外层下方50微米范围内；黏液腺区炎症枢纽则紧密围绕腺体细胞。

主要产生细胞：基质细胞（特别是基底细胞亚群BC1与内皮细胞亚群EnC2）是IL-33和趋化因子的主要来源，其表达水平显著高于肥大细胞等经典免疫细胞。杯状细胞则高表达中性粒细胞趋化因子CXCL6/CXCL8。

哮喘治疗的影响：除CXCL12与上皮特异性升高的CXCL17外，哮喘患者经抗炎治疗后绝大多数警报蛋白与趋化因子表达整体下调，细胞外基质相关基因表达亦减少，体现了治疗对炎症微环境的调控作用。

平台验证：GeoMx平台在独立队列中证实了IL-33等警报蛋白在上皮/上皮下区域表达降低的趋势，增强了发现的可信度。

结果3、基底细胞、杯状细胞与内皮细胞在上皮微环境中协作产生警报蛋白与趋化因子

细胞特征：

• 基底细胞BC1：高表达KRT15与凝血因子III（F3），在哮喘样本中表达进一步增强。
• 杯状细胞：哮喘患者中CYP2F1、MUC5B等基因表达上调，而KRT7、TACSTD2表达下降。
• 内皮细胞EnC2：高表达VWF、PLVAP及非典型趋化因子受体ACKR1。

空间重组：

哮喘样本中BC1、EnC2与纤毛细胞等空间距离显著缩短，形成更紧密的细胞聚集，但各细胞邻域数量未发生显著变化。

这种“空间压缩”提示炎症枢纽内细胞密度增加，可能增强局部促炎信号传递能力。

治疗影响与矛盾现象：

尽管抗炎治疗降低了多数炎症标志物基因的表达，但细胞空间聚集度反而增加，提示治疗未能完全逆转炎症微结构的重组。

技术验证：

通过GeoMx平台及细胞反卷积分析，在独立队列中验证了BC1与EnC2的存在及空间分布模式。

结果4、哮喘患者黏膜下腺微环境中细胞群落的结构与功能改变

内皮细胞与成纤维细胞特征变化：

内皮细胞EnC2亚群高表达VWF、PLVAP及ACKR1。

成纤维细胞中脂质代谢相关基因APOD表达显著上调（约150%），且表达水平与临床严重程度呈正相关。

杯状细胞表型重塑：

哮喘样本中杯状细胞MUC5B表达大幅增强（约340%），重症患者中MUC5AC也呈上升趋势。

杯状细胞与浆液细胞、内皮细胞及成纤维细胞的空间连接在哮喘中进一步加强。

浆液细胞新亚群的出现：

发现一类高表达乳铁蛋白（LTF，表达量提升约660%）的浆液细胞新亚群（Serous cell 2）。

该亚群在哮喘组织中形成大型细胞团簇，并与肥大细胞、巨噬细胞及内皮细胞保持紧密空间互作。

空间结构重组：

哮喘微环境中细胞间最短距离缩短，连接增强，但细胞邻域数量未显著变化，提示细胞聚集度升高而非数量增加。

浆液细胞与杯状细胞的数量增多共同促成了致密细胞团簇的形成。

综上，哮喘气道黏膜下腺微环境存在显著的基因表达异常、细胞表型转化及空间连接增强，共同构成了慢性炎症的细胞结构基础。

结果5、肥大细胞在气道壁促炎生态系统中具有关键调控作用

数量与定位：肥大细胞与巨噬细胞是气道壁中最丰富的免疫细胞类型，健康肺组织中主要定位于血管周围。

分子特征：

通过经典标志物（CPA3、KIT、MS4A2）可明确鉴定肥大细胞。

表达组织重塑关键因子双调蛋白（AREG）。

哮喘样本中肥大细胞标志物CPA3表达显著下降（约55%），但AREG表达维持不变。

空间互作模式：

肥大细胞与内皮细胞（EnC1/EnC2）、巨噬细胞及成纤维细胞存在稳定相互作用。

在哮喘样本中，肥大细胞与内皮细胞、成纤维细胞及杯状/浆液细胞的互作进一步增强。

治疗反应与矛盾现象：

吸入性皮质类固醇及生物制剂可降低部分肥大细胞标志物表达，但未能逆转由细胞聚集增强导致的异常组织结构。

AREG表达的维持提示肥大细胞介导的组织重塑机制在治疗后依然活跃。

综上，肥大细胞通过表达AREG等重塑因子并与基质细胞形成紧密空间网络，在哮喘气道炎症与结构重塑中发挥持续作用，且现有抗炎治疗对其空间调控功能的干预有限。

结果6、伊马替尼治疗对肺部细胞互作具有深远影响

炎症介质的广泛抑制：

伊马替尼显著降低除CXCL8外绝大多数警报蛋白（如IL-33）和趋化因子（如CCL19）的表达，其中内皮细胞EnC2的促炎潜能几乎被完全抑制。

细胞外基质基因（COL3A1、COL1A1）及免疫检查点分子（LAG3、CTLA4、HAVCR2）表达同步下调。

细胞空间组织的正常化：

伊马替尼治疗后，EnC2与CD8⁺ T细胞、单核细胞及浆细胞的空间邻近性降低，细胞间距离增加，提示炎症性细胞聚集被部分逆转。

杯状细胞的邻域关系恢复为以上皮细胞（纤毛细胞、基底细胞）为主，其MUC5B等异常表达基因也显著下调。

肥大细胞的深度调控：

伊马替尼不仅大幅降低肥大细胞标志物（CPA3、KIT）的表达水平与细胞频率，还减少了其与基底细胞、CD8⁺ T细胞及EnC2的邻近互作，体现了对肥大细胞活性与空间定位的双重抑制。

方法学价值：

研究证实空间转录组技术能够在临床试验中动态解析药物对细胞组织结构和通讯网络的作用机制，为评价药物疗效提供了新的系统视角。

综上，伊马替尼通过抑制关键炎症介质、逆转异常细胞空间聚集及深度调控肥大细胞，多维度重塑了哮喘气道微环境，展示了靶向治疗在空间病理层面的干预潜力。

结果7、空间药物-靶点互作揭示药物作用特异性区域

整合空间转录组数据与药物-靶点互作信息，开发了能够预测药物在组织亚区域空间作用模式的分析框架：

空间药理学分析平台的建立：

将Drug2Cell工具与空间转录组结合，首次实现在组织微环境中可视化预测药物的空间作用靶区。

药物靶向特性的空间解析：

靶向药物：如靶向凝血因子F3的tisotumab vedotin在哮喘患者基底细胞与杯状细胞中显示高互作信号，且作用区域主要局限于肺上皮与黏液腺离散区域。

广谱药物：如糖皮质激素（氢化可的松）在全气道壁多类细胞中均显示作用信号，但优先靶向上皮基底细胞、内皮细胞及黏液腺浆液细胞。

激酶抑制剂：伊马替尼在安慰剂组样本中与肥大细胞、成纤维细胞强互作，而治疗组中其靶点表达下降；吉非替尼（EGFR抑制剂）则在特定肺壁区域显示靶向性。

临床转化价值：

该框架能够在空间维度区分药物的广谱性与特异性作用模式，为个性化用药提供微环境层面的靶向依据。

通过结合临床试验样本（如伊马替尼治疗队列），可动态评估药物对靶点表达与空间分布的影响。

综上，研究证实空间转录组与药理学数据的整合能够预测药物在亚组织水平的空间作用图谱，为开发精准且空间特异性的治疗策略提供了新工具。

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