2025年02月03日，美國亞利桑那州鳳凰城轉化基因組學研究所生物創新和基因組科學部發表了題為“ Spatial transcriptomics identifies molecular niche dysregulation associated with distal lung remodeling in pulmonary fibrosis ”的文章，利用10x Genemics的Xenium及Visium HD平臺，揭示了與肺纖維化遠端肺重塑相關的特征。
該項目利用Xenium及Visium HD可接續實驗的方案，一張切片完成兩個平臺實驗，真正實現同一樣本的分子水平和病理水平的共同分析，實驗結果更準確！
摘要
大規模的肺泡結構和細胞組成的改變是肺纖維化（PF）的標志性特征，但導致疾病病理發展的空間背景仍然不確定。通過基于圖像的空間轉錄組學分析，對35個獨特肺部的160萬個細胞的基因表達進行了分析。表征了肺纖維化相關細胞類型的定位，確立了經典PF組織病理學特征的細胞和分子基礎，并在正常和PF肺中識別出控制和空間特異性分子定義的各種不同分子特性的區域。利用機器學習和軌跡分析對重塑嚴重程度梯度上的空腔進行分割和排名，我們識別出了與漸進性肺部病理相關的組成性和分子性變化，始于肺泡上皮調節異常，并以巨噬細胞極化的變化為終點。這些結果一并提供了對PF的獨特空間解析視角，并確立了可以應用于其他空間轉錄組研究的方法。
樣本收集
9例對照樣本和26例疾病樣本制成組織芯片（TMA）
Xenium探針共343 genes
肺組織固定panel（早期版本：246 genes）+定制panel（97 genes）
技術
Xenium、Visium HD（同一張樣本Xenium下機后繼續做Visium HD，真正實現同一樣本共同分析）
研究思路圖
分析工具
GraphSAGE、Seurat v5
GraphSAGE作為一種圖神經網絡模型，能夠有效捕捉轉錄本之間的局部鄰域信息，從而定義出新的嵌入空間，為后續聚類分析提供了堅實基礎。
Seurat v5則是一種廣泛應用于單細胞數據分析的強大工具，它通過基于空間位置和細胞類型的局部鄰域構建，實現了對細胞群體的高效聚類。這兩種工具的結合使用，極大地提升了數據解析的準確性和效率。
1. 肺細胞多樣化
共鑒定了 47 種細胞類型，更好地反映了疾病狀態下肺的細胞組成?？臻g數據使我們能夠識別成纖維細胞亞型，包括廣泛分散于肺部的肺泡成纖維細胞、傳導氣道和肺泡管周圍的肌成纖維細胞、斑塊狀病灶中的“纖維化”活化成纖維細胞和毗鄰胸膜表面間皮細胞的“胸膜下”成纖維細胞。后續分析，比較了不同分類名稱之間以及“病理百分比”定量指標之間的細胞和分子變化，并根據臨床醫生的注釋描述了 27 種特定的 PF 組織病理學特征。
2. 生態位分析揭示疾病引發的細胞相互作用
作者開發了一種新方法，通過直接使用轉錄本數據來識別與細胞分配無關的生態位。使用 GraphSAGE，根據轉錄本數據的空間位置訓練了一個圖神經網絡模型，以聚合局部鄰域信息并定義一個嵌入空間，該嵌入空間為數據集中的所有單個轉錄本提供新的表示。然后，應用Gaussian mixture models對嵌入空間中的轉錄本進行聚類并識別生態位，使用共識方法將細胞分配到這些生態位。在這兩種分析中，確定了 12 個生態位，它們顯示出不同的基因表達特征和細胞類型組成。例如氣道微環境 C1 和 T7 以及淋巴微環境 T2 和 C9 分別描述了特定氣道和淋巴細胞類型之間的緊密空間關系。微環境還捕捉了不同譜系細胞之間更復雜的關系，包括“健康”肺泡微環境（T4；C8），其中包括 AT1、AT2、毛細血管細胞和肺泡成纖維細胞等細胞類型。并且在生態位分析的指導下，我們在更多樣本中發現了表現出上皮脫離的其他區域。這些發現凸顯了空間轉錄組數據直接從分子數據中識別特定疾病相關病理特征的潛力。
3. 疾病引起的巨噬細胞在肺泡中聚集
在Xenium數據中發現，與氣腔積聚相關的巨噬細胞似乎包括兩個截然不同的群體，一個主要以 FABP4 為標志物，另一個以 SPP1 為標志物。肺泡內 FABP4+（肺泡）巨噬細胞群和間質中 SPP1+巨噬細胞群較少。盡管在氣腔內積聚，但 FABP4+巨噬細胞在受影響較小的樣本中占巨噬細胞總數的比例僅略有增加，并且隨著病理百分比的增加而減少。在對照肺中觀察到 SPP1+巨噬細胞，但在受影響較多的樣本中占總巨噬細胞群的比例更高，并且 SPP1表達增加與更高的病理評分相關，這表明巨噬細胞表型的進化是進行性 PF 的特征。在相同樣本的 Visium HD 數據也證實了遠端氣腔中存在 FABP4+和混合 FABP4+/SPP1+積聚。
4. 細胞重塑時間表
利用一種機器學習方法，根據轉錄本表達的空間模式識別和分割樣本中的管腔，使用譜聚類將表達變化分為以下四大類：穩態和早期、中期和重塑晚期。主要揭示了從健康到嚴重纖維化的分子和細胞變化的順序，初始肺泡重塑是由肺泡毛細血管界面的破壞和上皮中再生相關程序的激活所驅動，隨后是上皮下成纖維細胞的激活，然后是髓樣細胞募集/增殖。
通過Xenium和Visium HD兩種技術揭示了KRT5−/KRT17+細胞的脫落現象及其與周圍細胞的關系，這是以往單細胞測序技術難以捕捉到的現象。研究還通過機器學習和軌跡分析，系統地解析了不同病理階段的分子特征，為理解肺纖維化的分子演變提供了全新的視角，強調了細胞異質性和空間分布對疾病進展的重要影響，提示未來研究應更加關注這些因素在疾病發展中的作用。