Nature | 利用空间转录组测序技术揭示过度的成纤维细胞激活

空间转录组学可以全面获取组织切片的转录组数据，对组织部位进行清晰定位，解决解剖学无法解释的分子机制，同时这种方法能够被用于不同的组织，并且在临床前研究和癌症诊断中具有较高的价值。2020年11月，Nature 发表了利用空间转录组测序技术结合单细胞转录组测序技术进行“过度的成纤维细胞激活通过ADAMTS4损害肺部功能”的研究，空间转录组测序技术在疾病机制的探索中会带来哪些新的发现？我们可以通过本篇文章进行全面的了解。

过度的成纤维细胞激活

通过ADAMTS4损害肺部功能

Exuberant fibroblast activity compromises lung function via Adamts4

【发表期刊】Nature

【发表时间】2020年11月

【影响因子】42.778

研究背景

呼吸道感染是导致疾病和死亡的主要原因，这些感染可导致急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。病毒感染引起的肺部损伤大部分是由免疫细胞浸润对感染细胞及正常细胞的同时攻击导致，进一步了解免疫反应与病原体清除之间的平衡机制，有助于改善ARDS的预后。本研究利用空间转录组、单细胞转录组测序技术针对呼吸道感染的模型小鼠肺进行研究，研究发现呼吸道病毒感染会导致肺部纤维化，增加细胞因子和酶ADAMTS4的产生，而ADAMTS4会降解结构性肺蛋白versican，进而导致肺功能损伤。揭示了成纤维细胞在平衡炎症和肺功能方面的关键作用，将此发现转化为治疗方法，有助于开发保护肺部功能的药物，提高患者生存率。

研究思路

图1 研究思路图

研究结论

① 病毒感染后肺基质细胞反应

构建了小鼠肺基质细胞图谱，针对基质肺细胞可分为三个亚群：成纤维细胞、上皮细胞和内皮细胞。依据基因表达可分为三个功能类群：炎症反应、ECM合成、resting；ECM成纤维细胞(ESFibs)参与编码ECM结构蛋白，炎症成纤维细胞参与炎症反应；在炎性成纤维细胞中，存在两种不同的激活状态，损伤反应成纤维细胞(DRFibs)和干扰素反应成纤维细胞(IRFibs）。通过人肺单细胞结果对比发现成纤维细胞激活状态类似于小鼠肺。

图2 小鼠肺细胞图谱、细胞分群及GSEA结果

② 活化成纤维细胞中的ECM蛋白酶基因变化

在小鼠感染的整个时期，降解versican蛋白聚糖的Adamts4表达在早期就出现，并且在整个修复阶段持续表达。但不在免疫细胞内表达，同时感染前Adamts4基因表达局限于成纤维细胞和内皮细胞。感染后仅在成纤维细胞中表达显著上调，解释了感染肺部整体发生Adamts4表达的原因。

图3 不同时期感染的基因表达热图 图4Adamts4 在各细胞基因表达情况

③ 小鼠肺不同位置成纤维细胞及基因变化

获取了感染10天处于呼吸窘迫高峰时小鼠肺的空间转录组结果，呈现了成纤维细胞相关基因(Itga5, Lox, Cd9, Timp3)在肺切片中的相对表达变化，Adamts4的表达局限于肺泡附近的间质炎症区。支气管区域DRFib相关基因表达降低或不表达。当宿主开始恢复或病情恶化时，DRFibs的Adamts4基因表达在远端气道中是一个关键的拐点。

图5 感染10天的小鼠肺空间转录组结果

④ Adamts4导致致命性免疫反应

通过免疫荧光、小鼠活性等验证，发现Adamts4被敲除后，肺部的versican结构得以保存，小鼠寿命延长，完整的versican在维持肺部健康和功能方面有多种作用。通过人的队列数据验证发现ADAMTS4蛋白水平是严重流感病毒感染后低氧呼吸衰竭和大范围死亡的一个强有力的预测因子，未来ADAMTS4活性可能是治疗干预的合适靶点。

图6 HE染色、NP（病毒核蛋白免疫组化）及免疫荧光结果

总结

研究揭示了肺成纤维细胞在协调组织中病毒感染部位的免疫反应中起关键作用，炎性成纤维细胞产生多种炎性细胞因子、ECM成分和降解酶，改变了局部组织环境。在小鼠中，肺中缺乏ADAMTS4活性可保留完整的versican并调节免疫细胞迁移到感染区域。同时完整的versican能够抑制细胞毒性T细胞反应和抑制迁移，从人类参与者的研究中获得的数据表明，ADAMTS4是流感疾病严重程度的一个重要决定因素。靶向损伤反应性成纤维细胞的ECM蛋白酶活性可以通过限制过度炎症和维持肺组织的完整性提供临床益处，ADAMTS4活性可能是治疗干预的合适靶点。

参考文献：

[1] Boyd David F, Allen E Kaitlynn, Randolph Adrienne G et al. Exuberant fibroblast activity compromises lung function via ADAMTS4. Nature, 2020, 587: 466-471.