CosMx单细胞空间转录组助力揭示：儿童期发病的狼疮肾炎中肾基质和浸润免疫细胞之间复杂的相互作用
患有系统性红斑狼疮 (SLE)的儿童 （称为儿童期狼疮性肾炎，cLN）患肾脏疾病的风险增加。本研究利用单细胞分辨率空间转录组学技术（CosMx SMI），生成了来自 8 名 cLN 患者和两名对照者的肾组织（> 400,000 个细胞）的单细胞分辨率空间图谱。分析结果显示，不同类型的免疫细胞定位于 cLN 肾脏的特定区域，并且基因表达具有空间异质性，为 SLE 的免疫发病机制提供新的见解。此外，研究者还确定了空间相关gene module在炎症诱导和肾小管间质纤维化发展中的预测作用。总之，单细胞分辨率空间转录组学的应用，为cLN发展机制提供了新的见解，有利于更有针对性和个性化的治疗。
01 文章详情
文章题目：Single cell spatial transcriptomic profiling of childhood-onset lupus nephritis reveals complex interactions between kidney stroma and infiltrating immune cells.
中文题目：单细胞空间转录组分析揭示儿童期发病的狼疮肾炎中肾基质和浸润免疫细胞之间复杂的相互作用
发表时间：2023.11
期刊名称：bioRxiv
实验平台：空间转录组测序（NanoString CosMx SMI）
DOI：https://doi.org/10.1101/2023.11.09.566503
02 研究设计
03 研究内容
1、cLN的单细胞分辨率空间转录组学研究
为了识别cLN中肾脏炎症的空间异质性，研究者使用单细胞分辨率的空间转录组学技术—CosMx SMI，对2名对照和8例狼疮性肾炎患儿（SLE1~SLE7）的肾活检组织进行分析，结果共鉴定了447,892个细胞（平均每个活检组织37,324个细胞）。使用InSituType 工具对细胞进行聚类和注释，共得到了35种细胞类型。接下来，研究者利用形态学标记物panCK进行染色（标记肾远端小管），进一步验证肾细胞的分型。其中连接小管细胞、闰细胞（type A、B）以及主细胞定位于panCK+远端小管段。总之，利用CosMx SMI研究者生成了一个全面的肾脏细胞空间转录组图谱。
Fig.1 cLN 肾脏细胞空间转录组图谱
2、cLN的免疫学景观
通过细胞比例分析发现，在cLN中免疫浸润增加，但在不同cLN患者之间具有明显的异质性，其中巨噬细胞是细胞占比最丰富的细胞类型。为了研究不同类型的免疫细胞在肾脏的分布是否具有空间异质性，研究者首先将肾组织切片划分为4个空间区域，分别定义为：肾小球内、肾小球交界、肾小管间质以及免疫热点区域（在邻近的0.5mm范围内包含³50 immune cells的区域），并通过结合CosMx数据，分析不同区域内免疫细胞占比。结果发现，在cLN肾小球中，髓系细胞系和巨噬细胞的比例增加；在cLN其他肾脏区域内，大部分巨噬细胞弥散分布在小管间质区。此外，B细胞数量远高于T细胞的数量，更广泛地分布于整个肾小管间质。通过CosMx SMI技术，研究者绘制了cLN中肾组织的免疫学景观。
Fig.2 cLN患者肾组织的免疫景观
3、不同区域巨噬细胞基因表达特征以及免疫热点区域内B细胞空间相互作用
研究者进一步分析了cLN肾小球区域内以及区域外巨噬细胞的差异表达基因，结果发现在cLN中，肾小球炎症区域内巨噬细胞与肾小球区域外巨噬细胞表现出不同的转录特征，表明巨噬细胞特征在cLN疾病中与空间分布位置密切相关。
Fig.3 cLN巨噬细胞中基因表达的空间分布
B细胞与cLN发病密切相关，因此研究者研究了cLN免疫热点区域中B细胞的基因表达模式和相互作用网络。局部病灶内的浆细胞表达了IgA、IgG和IgM免疫球蛋白基因转录本，说明在cLN中，持续的适应性免疫应答促进局部浆细胞生成。通过空间可视化图，证实了B细胞、浆细胞、巨噬细胞和CD4+ T细胞之间的空间相互作用。网络分析也发现，在cLN中存在一个小管间质网络，B.3亚群作为中心节点，并表现出与记忆T细胞、树突状细胞、巨噬细胞和其他B细胞亚簇的相互作用。并且在小管间质的免疫热点区域内，B细胞、髓系细胞和T细胞之间的空间相互作用表现出与适应性免疫功能和调节机制相一致的转录特征。
Fig.4 免疫热点区域中B细胞相互作用模式
4、cLN中常驻肾小球细胞以及基因表达与疾病相关性
通过CosMx技术对同一组织切片内的浸润性免疫细胞和肾基质细胞进行综合分析，发现cLN中系膜细胞与足细胞的比例增加。接下来，研究者进一步研究在cSLE中肾小球细胞中转录组的改变与疾病的相关性。结果显示，在SLE中，常驻肾小球细胞中存在广泛的转录变化，与疾病病理相关。例如，cLN肾小球内皮细胞TEK和CLEC1A等基因表达下降，提示肾小球内皮功能的改变并与周围系膜基质存在串扰。以上数据说明，cLN中肾小球细胞基因表达发生明显改变，并与疾病的发展机制密切相关。
Fig.5 常驻肾小球细胞基因表达改变
5、与cLN中炎症和组织纤维化诱导相关的空间gene module的鉴定
研究者利用InSituCor，分析鉴定了51个不同的gene module，包括干扰素刺激基因（ISG）相关的gene module、巨噬细胞富集空间区域内两个不同gene module、与肾小管间质纤维化诱导相关的gene module等。值得注意的是，这些不同功能相关的gene module在空间表达的分布也与组织病理学存在一致性。例如，在组织病理学上，在缺乏明显的肾小管间质纤维化的肾脏区域观察到纤维化相关gene module的表达。该部分结果说明鉴定到的空间gene module在炎症诱导和肾小管间质纤维化发展中具有一定的预测作用。
Fig.6 肾小球基因表达与组织组织病理学相关性
04 研究结论
本研究利用CosMx SMI 技术对cLN患者的肾活检组织进行分析，绘制了肾组织细胞空间转录组图谱，鉴定了cLN中肾小球和小管间质免疫热点区域内的免疫景观。同时确定了与促炎和纤维化相关的gene module，为疾病发展的预测提供了指导意义。这些发现不仅为狼疮的研究提供了重要资源，同时也具有重要的治疗意义。
