期刊：Nature Communications
影響因子：14.7
主要技術(shù)：scRNA-seq、Xenium
導(dǎo)語
研究人類胎兒肺可以了解發(fā)育缺陷和疾病狀態(tài)如何改變肺的功能。在這里，我們對19個健康人假腺體胎兒肺組織的>150000個單細(xì)胞進(jìn)行了測序，時間范圍在妊娠10-19周之間。我們從表達(dá)豐富水平的囊性纖維化電導(dǎo)跨膜調(diào)節(jié)因子 （CFTR）的祖細(xì)胞中捕獲動態(tài)發(fā)育軌跡。這些細(xì)胞產(chǎn)生多種特化的上皮細(xì)胞類型。結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)，我們展示了關(guān)鍵信號通路的時間調(diào)控，這些通路可能驅(qū)動特化上皮細(xì)胞（包括纖毛細(xì)胞和肺神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞）的時間和空間出現(xiàn)。最后，我們表明人類多能干細(xì)胞衍生的胎肺模型包含表達(dá) CFTR 的祖細(xì)胞，這些祖細(xì)胞捕獲與天然組織中鑒定的相似的譜系發(fā)育軌跡。總體而言，本研究提供了發(fā)育中人肺的全面單細(xì)胞圖譜，概述了細(xì)胞譜系發(fā)育的時間和空間復(fù)雜性，并對從人多能干細(xì)胞分化到類似發(fā)育窗口的胎兒肺培養(yǎng)進(jìn)行了基準(zhǔn)測試。
主要技術(shù)
scRNA-seq、Xenium
研究結(jié)果
1.人胚胎肺的細(xì)胞組成
收集總共19個來自選擇性終止妊娠的新鮮分離的胎兒肺組織，范圍從孕周（GW）10-19，并進(jìn)行處理，用于3 '單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）。從肺部的不同區(qū)域?qū)σ粋€組織進(jìn)行兩次采樣，以確保均勻捕獲。總共對170256個單細(xì)胞進(jìn)行了測序，每個細(xì)胞的讀取深度約為60000。生成FASTQ文件，并將讀數(shù)與人類參考基因組hg 38（GRCh 38）進(jìn)行比對。去除低質(zhì)量細(xì)胞、死細(xì)胞和雙細(xì)胞后，分析了156，698個細(xì)胞。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化和降維后，使用倒數(shù)主成分分析（rPCA）來識別錨點，以進(jìn)行整合以生成胎兒肺數(shù)據(jù)集。根據(jù)男性性別決定基因SRY和DDX 3 Y以及XIST的表達(dá)，收集了12個男性和7個女性的肺部（圖1A）。使用基于非參數(shù)Wilcoxon等級和檢驗的差異表達(dá)基因（DEG）來注釋細(xì)胞群，將細(xì)胞群廣泛分為5個獨特不同的細(xì)胞群（圖1B）指定為矩陣（N = 98166; Col 1A 1、Col 1A 2），表皮（N = 16068; EPCAM）、內(nèi)皮細(xì)胞（N = 13376; PECAM 1）、免疫細(xì)胞（N = 16258; CD 74、CD 3、NKG 7）和施旺細(xì)胞（N = 512; NRXN 1、S100 B、PLP 1）（圖1C）。Clustree和DEG對每個主要細(xì)胞群進(jìn)行了進(jìn)一步的亞聚集，這導(dǎo)致發(fā)育中的肺部中總共有58種不同的細(xì)胞類型/狀態(tài)（圖1D）。評估整個妊娠時間的細(xì)胞比例顯示，在整個10周的發(fā)育過程中，間質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成了最大的細(xì)胞比例（圖1 E）。
圖1
2. 發(fā)育中的肺間質(zhì)
在分析的所有肺組織中，間質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成了最大比例的細(xì)胞（圖1B）。我們根據(jù)DEG確定了10種間質(zhì)細(xì)胞亞型（圖2A）。這些包括脂成纖維細(xì)胞、脂成纖維細(xì)胞前體、循環(huán)成纖維細(xì)胞、早期成纖維細(xì)胞、氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞、未定型細(xì)胞、氣道平滑肌細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和未知的間質(zhì)細(xì)胞群。脂成纖維細(xì)胞和脂成纖維細(xì)胞前體是整個妊娠周中含量最豐富的間質(zhì)細(xì)胞類型（圖2B）。這兩種細(xì)胞類型都表達(dá)TCF 21，這是一種先前在小鼠胎兒和成人肺成脂纖維細(xì)胞中顯示的標(biāo)志物。脂肪成纖維細(xì)胞前體差異表達(dá)更高水平的幾種典型間充質(zhì)相關(guān)基因，包括PLEKHH 2和MACF 1（圖2C），類似于小鼠脂肪成纖維細(xì)胞細(xì)胞系。在脂肪成纖維細(xì)胞中鑒定的最高差異轉(zhuǎn)錄因子JUN、FOS和STAT 3的調(diào)節(jié)子活性（圖2D），已知其調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)性細(xì)胞外基質(zhì)（如膠原蛋白和彈性蛋白）的合成，并且在肺泡發(fā)育中很重要。雖然肺泡發(fā)育發(fā)生在妊娠后期，但早期胎兒肺發(fā)育中的脂成纖維細(xì)胞在形成氣道結(jié)構(gòu)所需的ECM蛋白中發(fā)揮作用。驅(qū)動脂肪成纖維細(xì)胞前體的轉(zhuǎn)錄因子的差異調(diào)節(jié)子活性包括NR2F1和ETV 1，其調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、繁殖和分化（圖2D）。氣道成纖維細(xì)胞表達(dá)高水平的TWIST 1、NIX和ZEB 1（圖2D）。
接下來，我們使用Xenium高分辨率多路原位空間分析來確定每個間質(zhì)細(xì)胞亞型中表達(dá)的DEG的空間定位。我們在胎兒肺組織的間質(zhì)區(qū)域中鑒定了與氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞（WRPINF 1、FBN 1、IGMBE 5）、脂成纖維細(xì)胞前體（MACF 1和TCF 21）和脂成纖維細(xì)胞（ERG 1、ATF 3、IRF 1）相關(guān)的基因（圖2 E）。氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞主要集中在大氣道（表皮1）周圍，而脂成纖維細(xì)胞前體則出現(xiàn)在整個間質(zhì)中。此外，還觀察到分散在表皮周圍的脂成纖維細(xì)胞前體之間的脂成纖維細(xì)胞。
周期性成纖維細(xì)胞和早期成纖維細(xì)胞在早期肺組織中也以相對較高的比例存在（GW 10-14;分別為~ 6-10%和~ 9-12%），但在晚期妊娠肺組織中逐漸減少（GW 15;分別為~2-5%和~3-7%）（圖2B）。除了常見的膠原基因（Col 1A 1、Col 1A 2）外，周期成纖維細(xì)胞表達(dá)了高水平的與細(xì)胞增生相關(guān)的基因TOP 2A、CENPF、MKI 67（圖2C）。早期成纖維細(xì)胞表達(dá)了高水平的與染色質(zhì)重塑相關(guān)的基因，例如HELS和TYMS 29（圖2D），此前已證明這些基因在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中高度表達(dá)。早期成纖維細(xì)胞中具有差異性高調(diào)節(jié)子活性的轉(zhuǎn)錄因子包括E2 F7、E2 F8、FOXM 1、TCF 7和E2 F1。
根據(jù)UMAP預(yù)測，還有很大一部分未定型細(xì)胞與周期成纖維細(xì)胞和脂肪成纖維細(xì)胞前體密切相關(guān)（圖2A）。這些未定向的細(xì)胞與循環(huán)成纖維細(xì)胞和脂肪成纖維細(xì)胞前體有一些轉(zhuǎn)錄相似性，但也表達(dá)與其他細(xì)胞類型相關(guān)的基因（圖2C）。氣道SMC差異表達(dá)更高水平的TAGLN、DES和MYH 11，而血管SMC表達(dá)IGFBP7、MEF 2C和EGFL 6，這兩種情況在其他研究中也有類似的報道。TBX 5、MYEF 2和KLF 9的轉(zhuǎn)錄因子和相關(guān)調(diào)節(jié)因子在氣道SMC中具有差異活性，而ZFN 41、PITX 3和HMGA 1在血管SMC中存在。軟骨細(xì)胞差異表達(dá)許多膠原蛋白基因，包括Col 2A1、Col 11 A1、Col 9A1和RUNX 1，以及已知調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞發(fā)育的FOXO 1相關(guān)調(diào)節(jié)子。具有明顯DEG的未知一小群間質(zhì)細(xì)胞（第10群）表達(dá)了高水平的AHSP、ALAS和BPGN，這些基因與紅細(xì)胞相關(guān)。
為了推斷成纖維細(xì)胞團(tuán)的發(fā)育譜系，我們使用LatentVelo來估計不含氣道SMC、血管SMC和軟骨細(xì)胞的一組間質(zhì)細(xì)胞上的RNA速度。為這個子集生成了新的UMAP，我們在UMAP嵌入和PAGA上可視化了這些速度（圖3A、B）。推斷軌跡表明，周期性成纖維細(xì)胞形成早期成纖維細(xì)胞，然后形成氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞和脂成纖維細(xì)胞。我們使用Slingshot進(jìn)一步驗證了這些軌跡，使用循環(huán)成纖維細(xì)胞作為根細(xì)胞或細(xì)胞起源，并發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)胞沿著分化軌跡移動為脂成纖維細(xì)胞或氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞，基因表達(dá)發(fā)生了逐漸變化（圖3C、D）。
圖2
圖3
3. 動態(tài)演變的胎兒肺細(xì)胞
在胎兒肺表皮中，對topDEG的分析加上與特定細(xì)胞相關(guān)的典型表皮基因的高表達(dá)，揭示了19種亞型（圖4A、B）。利用SOX 2和SOX 9的表達(dá)分別確定近端和遠(yuǎn)端氣道細(xì)胞，我們鑒定了表達(dá)高水平SOX 2的表皮細(xì)胞亞群，這是一種共表達(dá)SCGB 3A2和SFTPB的CFTR表達(dá)細(xì)胞類型（SCGB 3A2 + SFTPB + CFTR +）、SCGB 3A 2 + FOXJ 1+和SOX 2 highCFTR+祖細(xì)胞群（圖4C）。通過與細(xì)胞增生相關(guān)的基因MKI 67和編碼微小管結(jié)合蛋白CENPF、NUSAP 1和CDK 1的細(xì)胞周期基因的表達(dá)升高來鑒定新生祖細(xì)胞（圖4 B）。 空間Xenium分析顯示NKX 2 -1 + SOX 9 + CFTR +僅限于表皮（表皮2，藍(lán)色陰影），所有三個基因在GW 15和18肺組織的分叉區(qū)域或發(fā)育芽區(qū)均豐富表達(dá)（圖4D）。相比之下，在氣道的莖部區(qū)域發(fā)現(xiàn)了MEK 2 + CFTR +細(xì)胞。已知SOX 2表達(dá)可以調(diào)節(jié)表皮細(xì)胞的細(xì)胞增生，因此，SOX 2 highCFTR+細(xì)胞可能參與細(xì)胞擴(kuò)張以形成發(fā)育中的氣道。
使用免疫熒光染色，我們證實了NKX 2 -1、SOX 9和CFTR三陽性細(xì)胞在發(fā)育中的肺芽區(qū)域中的空間表達(dá)（圖4 E）。相反，在胎兒氣道中發(fā)現(xiàn)NKX 2 -1 + SOX 2 + CFTR +細(xì)胞，具有明顯的SOX 2高（橙色箭頭）和SOX 2低（白色箭頭）細(xì)胞群。SCGB 3A 2 + SFTPB + CFTR +細(xì)胞在本文中被稱為三重陽性（TP），差異表達(dá)更高水平的CXCL17、CP和CYB 5A（圖4 B）以及轉(zhuǎn)錄因子HER 1（主要的NOTCH靶基因）和ASCL 2的差異高調(diào)節(jié)子活性，ASCL 2之前被證明是腸道表皮中的WNT/CTNNB 1轉(zhuǎn)錄靶點。發(fā)現(xiàn)這些TP細(xì)胞大量散布在整個氣道中（圖4D、E）。
圖4
4. 推測的表皮亞型軌跡
使用LatentVelo估計了RNA速率，以預(yù)測表皮細(xì)胞類型的譜系關(guān)系（圖5A）。然后，我們使用CellRank 分析了LatentVelo速度，并確定了三種終末狀態(tài)：成熟的纖毛細(xì)胞、PNEC和芽尖祖細(xì)胞（圖5B）?；谑褂肔atentVelo的PAGA，我們觀察到表明細(xì)胞高度可塑性和細(xì)胞譜系關(guān)系變化的軌跡（圖5C）。假設(shè)表皮譜系的發(fā)育可能受到時間調(diào)節(jié)?；趲追N典型細(xì)胞類型的出現(xiàn)，例如成熟的纖毛細(xì)胞和GW 14時PNEC細(xì)胞的顯著下降（圖5D）。在早期妊娠組織中，PNEC的貢獻(xiàn)有多種來源，包括從芽尖祖細(xì)胞到尖端細(xì)胞到SOX 2 highCFTR到TP，然后是PNEC的軌跡。DEG的變化反映了細(xì)胞命運(yùn)逐漸改變?yōu)镻NEC分化（ASCL 1和GHRL的表達(dá)）（圖5F）。沿著軌跡的細(xì)胞的富集反映了表型的變化。在從TP細(xì)胞向PNEC轉(zhuǎn)化的過程中，參與FGF、NOTCH和TGFβ信號通路的基因上調(diào)。所有的PNEC軌跡在后期減弱，并且在這些后期階段的PNEC細(xì)胞的比例降低（圖5D）。幾條軌跡聚集在妊娠中期組織中的TP上（圖5E）。這些包括來自SOX 2lowCFTR+細(xì)胞、SOX 2 highCFTR+細(xì)胞、間質(zhì)樣細(xì)胞、增生祖細(xì)胞和基礎(chǔ)細(xì)胞的細(xì)胞來源。在所有時間點都觀察到NKX 2 -1 + SOX 9 + CFTR +和SOX 2lowCFTR+細(xì)胞之間的強(qiáng)聯(lián)系（粗箭頭線），以及后兩種細(xì)胞具有TP，表明這些細(xì)胞與發(fā)育相關(guān)。我們推斷的軌跡預(yù)測（圖5F、G）和Xenium空間定位表明了SOX 9+細(xì)胞之間的關(guān)系。
圖5
5. PNEC和纖毛細(xì)胞譜系中TP細(xì)胞的可塑性
離體譜系追蹤研究表明，TP細(xì)胞可以在功能上對PNEC和下呼吸道中的纖毛細(xì)胞做出貢獻(xiàn)。在我們的數(shù)據(jù)集中，我們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞后期組織中PNEC下降，GW 14周圍的纖毛細(xì)胞隨之增加（圖6A）。CellRank用于估計TP細(xì)胞的PNEC和成熟纖毛細(xì)胞命運(yùn)概率，顯示隨著GW的增加，PNEC概率下降，成熟纖毛細(xì)胞概率增加（圖6B）。PNEC標(biāo)志物ASCL 1（黃色）和纖毛蟲細(xì)胞標(biāo)志物FOXJ 1（品紅色）的免疫熒光染色顯示早期GW組織中富含PNEC細(xì)胞，而這些細(xì)胞在GW 18胎肺中丟失（圖6C）?？臻g轉(zhuǎn)錄組學(xué)的共現(xiàn)分析顯示，這兩種細(xì)胞類型都靠近TP細(xì)胞和SOX 2+細(xì)胞，表明這些細(xì)胞位于發(fā)育中的莖區(qū)，并對氣道的譜系組成做出貢獻(xiàn)（圖4A、B）?？偠灾?，這些結(jié)果證明了PNEC和通過TP細(xì)胞的纖毛細(xì)胞分化的時間調(diào)節(jié)，支持這些祖細(xì)胞在發(fā)育中的肺中的動態(tài)可塑性。
圖6
6. FGF信號傳遞至TP的時間變化
相對于其他表皮細(xì)胞特異性靶向TP細(xì)胞的信號途徑包括成纖維細(xì)胞生長因子（FGF，圖6D）。FGF信號途徑是一種參與肺分支形態(tài)發(fā)生的已知途徑。此外，在定向分化方案中使用了幾種FGF重組蛋白，以從人iPSC 16、18產(chǎn)生胎兒肺表皮細(xì)胞。因此，我們推測該途徑可能在調(diào)節(jié)TP細(xì)胞命運(yùn)方面發(fā)揮著重要作用。我們特別關(guān)注通過FGF信號與TP細(xì)胞的細(xì)胞間相互作用（圖6 D）。根據(jù)Xenium的信息，我們鑒定了在空間上與TP細(xì)胞“緊密接近”的細(xì)胞，其中包括GW 15肺中的氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞、SOX 2 highCFTR+細(xì)胞、PNEC、Club細(xì)胞和基礎(chǔ)細(xì)胞，以及脂成纖維細(xì)胞前體、SCGB 3A 2 + FOXJ 1+、氣道SMC和GW 18肺中的成熟纖毛細(xì)胞（圖6 E）。然后，我們估計了參與TP細(xì)胞和FGF信號之間的特定配體-受體（L-R）相互作用。我們專門研究了氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞和氣道SMC，因為它們與基于共存細(xì)胞類型的TP細(xì)胞非常接近（圖6E）。我們發(fā)現(xiàn)，妊娠早期（GW 10 -13）期間，涉及氣道成纖維細(xì)胞祖細(xì)胞中表達(dá)的配體FGF 2和FGF 7的L-R相互作用之間的信號傳遞顯著增加，并且我們發(fā)現(xiàn)，涉及氣道SMC中表達(dá)的配體FGF 18的L-R相互作用的信號傳遞顯著增加（GW 14 -16）或晚期（GW 17 -19）（圖6F）。
7. hPSC衍生的胎兒肺分化捕獲細(xì)胞異質(zhì)性和在原生組織中發(fā)現(xiàn)的軌跡
hPSC的定向分化方案旨在捕捉發(fā)育里程碑，確保在細(xì)胞培養(yǎng)中真實細(xì)胞類型的穩(wěn)健發(fā)展。隨著分化變得更加先進(jìn)，有能力產(chǎn)生hPSC衍生的組織特異性類器官，這些模型代表了研究發(fā)展基本機(jī)制。當(dāng)獲得用于研究的主要胎兒組織受到限制時，這一點尤其重要。在這里，我們試圖使用我們最新的肺分化方案來確定我們認(rèn)為是“胎兒”肺細(xì)胞和由hPSC產(chǎn)生的類器官的細(xì)胞的發(fā)育階段（圖7A）。我們對hPSC衍生的胎兒肺細(xì)胞進(jìn)行了sc-RNA測序，認(rèn)為其包含大部分未分化的肺上皮細(xì)胞和胎兒類器官，這些細(xì)胞將沿著分化途徑進(jìn)行下一步。
在聚類并進(jìn)行DEG分析后，我們將這些hPSC細(xì)胞簇的DEG與原代胎兒肺樣本中的DEG進(jìn)行了比較。在hPSC胎兒肺細(xì)胞中，我們發(fā)現(xiàn)簇0和1中的增殖祖細(xì)胞和芽尖祖細(xì)胞有明顯的重疊（圖7B，C）。在這些胎兒肺細(xì)胞培養(yǎng)中出現(xiàn)的其他細(xì)胞類型的DEG包括PNEC、SOX2+、SOX9+祖細(xì)胞和第2簇的TP細(xì)胞。相反，hPSC衍生的胎兒肺類器官，代表了下一階段的分化，包含與基底細(xì)胞、club細(xì)胞、PNEC、SMG分泌細(xì)胞、纖毛細(xì)胞和TP細(xì)胞顯著重疊的細(xì)胞（圖7D，E）。集群0和集群2中基底細(xì)胞的高度重疊并不令人驚訝，因為我們的類器官擴(kuò)增培養(yǎng)基含有雙重TGFβ/SMAD信號抑制劑：DMH1和A83-01，它們旨在促進(jìn)基底細(xì)胞擴(kuò)增。
為了將這些hPSC分化細(xì)胞與胎兒肺發(fā)育的妊娠時間點進(jìn)行比較，我們使用了Spearman相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)hPSC分化細(xì)胞與這些早期胎兒肺組織的相關(guān)性相對較強(qiáng)。我們發(fā)現(xiàn)hPSC衍生的胎兒肺細(xì)胞與<GW12肺上皮組織相關(guān)性最強(qiáng)，hPSC衍生的胎兒肺類器官與>GW16肺上皮組織相關(guān)性最強(qiáng)（圖7F）。重要的是，沒有一種hPSC胎兒肺模型與成人肺有很強(qiáng)的相關(guān)性。
使用鄰域分析，我們整合了hPSC來源的細(xì)胞和原代胎兒肺上皮（圖8A）。綜合UMAP顯示，hPSC衍生的胎兒肺細(xì)胞（紫色）和類器官（綠色）與原代胎兒肺組織中的上皮細(xì)胞有明顯的重疊（圖8B）。為了了解這些hPSC分化在多大程度上代表了胎兒肺上皮的發(fā)育，我們將這些細(xì)胞定位在我們之前從天然組織推斷的軌跡上。我們考慮了先前推斷的胚胎初代上皮從芽尖祖細(xì)胞到TP細(xì)胞，通過尖端細(xì)胞，NKX2-1 + SOX9 + CFTR +細(xì)胞和sox2高/低CFTR +細(xì)胞的軌跡（圖8C）。我們使用集成的最近鄰圖對集成的細(xì)胞進(jìn)行聚類，并且只評估沿軌跡至少有100個細(xì)胞的聚類。因此，分析中沒有顯示胎兒和hPSC來源的培養(yǎng)物之間細(xì)胞重疊<100個細(xì)胞的集群（圖8D）。
圖7
圖8
為了不偏不倚地確定hPSC衍生培養(yǎng)物中沿軌跡的上皮細(xì)胞亞型，我們從原代上皮組織中鑒定的每個簇的top100DEG中創(chuàng)建細(xì)胞類型評分，并使用每個包含hPSC胎兒肺細(xì)胞和類器官細(xì)胞的這些簇的平均擬時序，我們沿著軌跡定位簇（圖8E，上面的箭頭指向軌跡方向）。這些分?jǐn)?shù)表明，隨著獲得與各種分化上皮細(xì)胞類型/狀態(tài)（如基底細(xì)胞和TP細(xì)胞）相關(guān)的特定基因，胎兒肺類器官沿著這條軌跡逐漸分化。在hPSC胎兒肺細(xì)胞簇中，增殖祖細(xì)胞類型評分隨著擬時序的增加而增加，而早期hPSC類器官簇隨著增加而消失，而類器官中sox2高/低cftr +、TP和基底細(xì)胞類型評分則增加?；虮磉_(dá)變化的清晰模式沿著平均擬時序出現(xiàn)，在hPSC胎兒肺細(xì)胞中可以看到增殖祖標(biāo)記基因的缺失（如TOP2A和CENPF），而獲得了鑒定分化程度更高的細(xì)胞類型的基因，如sox2高/低cftr +細(xì)胞的GPC5A， TP細(xì)胞的CP和基底細(xì)胞的SPRR3（圖8F）。
為了進(jìn)一步證實整合細(xì)胞的分析，我們使用LatentVelo對hPSC胎兒肺細(xì)胞和hPSC類器官進(jìn)行了獨立的RNA速率分析。與綜合軌跡分析類似，我們發(fā)現(xiàn)從hPSC胎兒肺集群0到集群1和2的軌跡（圖8G），以及從hPSC類器官集群1和4到集群0和2的軌跡（圖8H）。
總體而言，我們的hPSC分化胎兒細(xì)胞模型捕獲了一些上皮細(xì)胞類型/狀態(tài)和軌跡，特別是從芽尖到TP細(xì)胞，以及在原代胎兒假腺/小管肺組織中觀察到的幾種中間狀態(tài)（圖8I）。
總之，我們提供了人類胎兒肺的高分辨率時空圖譜，重點關(guān)注上皮細(xì)胞和相互作用的基質(zhì)細(xì)胞在形成發(fā)育中的氣道中的譜系關(guān)系（圖9）。
圖9
導(dǎo)語
發(fā)育機(jī)制的再激活發(fā)生在疾病發(fā)病機(jī)制和組織修復(fù)期間。因此，了解正常發(fā)育下細(xì)胞的可塑性以及局部細(xì)胞信號環(huán)境在決定細(xì)胞命運(yùn)和功能中的作用，可能為先天性肺病、慢性疾病發(fā)病機(jī)制和細(xì)胞對治療的反應(yīng)提供關(guān)鍵見解。在這里，我們構(gòu)建了一個發(fā)育中的人類胎兒肺的綜合轉(zhuǎn)錄組圖譜，該圖譜捕獲了超過 150000個胎兒肺細(xì)胞，并確定了揭示上皮區(qū)室內(nèi)顯著細(xì)胞可塑性的發(fā)育軌跡。通過空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)，我們確定了可能決定發(fā)育中肺內(nèi)細(xì)胞命運(yùn)和行為的推定時間調(diào)節(jié)的細(xì)胞信號傳導(dǎo)相互作用。最后，我們揭示了hPSC的分化沿著相似的發(fā)育軌跡進(jìn)行，并產(chǎn)生與在人胎兒肺上皮中觀察到的相似的胎兒細(xì)胞類型/狀態(tài)。
影響細(xì)胞命運(yùn)決定的發(fā)育過程是由細(xì)胞微環(huán)境中精確的細(xì)胞間信號傳導(dǎo)相互作用介導(dǎo)的。雖然細(xì)胞可能共享轉(zhuǎn)錄組基因特征，但細(xì)胞自主或非細(xì)胞自主信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可能決定這些細(xì)胞如何發(fā)育。在這里，我們專注于上皮-上皮細(xì)胞和上皮-基質(zhì)細(xì)胞之間的信號傳導(dǎo)通訊。然而，它并不排除免疫、內(nèi)皮和神經(jīng)（雪旺）細(xì)胞的貢獻(xiàn)，這些細(xì)胞也是共同發(fā)育并居住在前兩種細(xì)胞類型附近。事實上，免疫細(xì)胞群對上皮發(fā)育的貢獻(xiàn)最近已在胎肺中得到證實。相應(yīng)地，我們在上皮細(xì)胞的軌跡分析中看到了白細(xì)胞介素通路的表達(dá)，這可能表明來自免疫細(xì)胞的信號傳導(dǎo)。在我們的細(xì)胞通訊和軌跡分析中，我們顯示了靶向 TP 細(xì)胞的FGF、WNT和 NOTCH信號通路的時間變化。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的空間和時間調(diào)節(jié)都可以改變細(xì)胞錯綜復(fù)雜的微環(huán)境，并影響其行為和潛在的細(xì)胞命運(yùn)變化。為了確認(rèn)我們的結(jié)果，使用Xenium來優(yōu)化上皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞類型的空間接近度，并通過TP分析了推定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
我們研究的一個重要方面是 hPSC 衍生的胎肺分化的基準(zhǔn)。在這里，我們表明 hPSC 衍生的胎兒肺細(xì)胞和類器官捕獲了在天然組織中觀察到的幾種胎兒特異性細(xì)胞類型/狀態(tài)和分化軌跡。具體來說，我們表明分化的 hPSC 衍生的胎兒肺細(xì)胞主要代表增殖細(xì)胞和祖細(xì)胞，而 hPSC 衍生的胎兒類器官包含代表肺發(fā)育后期的分化細(xì)胞。由于并非所有細(xì)胞類型和軌跡都在 hPSC 分化中被捕獲，因此未來的研究可能會利用 LR 相互作用的預(yù)測和特定信號通路的富集來修改當(dāng)前的分化方案并改善體外其他上皮細(xì)胞類型的產(chǎn)生?？傮w而言，我們的工作支持使用 hPSC 衍生的胎肺上皮模型作為研究胎肺上皮譜系發(fā)育的潛在替代模型。重要的是，hPSC 分化是實驗上易于處理的模型，可用于研究更廣泛的發(fā)育范圍和疾病的胎兒起源，這使得這些模型的基準(zhǔn)測試和驗證尤為重要。
總之，我們的研究確定了有助于早期人類胎兒肺上皮動態(tài)發(fā)育的細(xì)胞類型、狀態(tài)、軌跡以及局部細(xì)胞和信號相互作用。了解人類胎兒肺細(xì)胞多樣性及其在發(fā)育中的作用將改進(jìn)當(dāng)前 hPSC 的分化方案，從而為未來先天性和慢性肺病的治療生成更好的類器官模型或真正的細(xì)胞類型。
參考文獻(xiàn)：
Quach H, Farrell S, Wu MJM, Kanagarajah K, Leung JW, Xu X, Kallurkar P, Turinsky AL, Bear CE, Ratjen F, Kalish B, Goyal S, Moraes TJ, Wong AP. Early human fetal lung atlas reveals the temporal dynamics of epithelial cell plasticity. Nat Commun. 2024 Jul 13;15(1):5898. doi: 10.1038/s41467-024-50281-5. PMID: 39003323; PMCID: PMC11246468.