动态单细胞转录组揭示喉气管狭窄中细胞异质性和新型软骨损伤相关成纤维细胞亚群

《Biology Direct》：Dynamic single-cell transcriptomic reveals the cellular heterogeneity and a novel fibroblast subpopulation in laryngotracheal stenosis

编辑推荐：本研究针对喉气管狭窄(LTS)这一由细胞外基质(ECM)过度沉积导致的临床难题，通过建立大鼠模型并采用动态单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，首次系统解析了LTS发展过程中成纤维细胞和巨噬细胞的异质性特征。研究发现表达Ucma/Col2a1的软骨损伤相关成纤维细胞(CIRF)新亚群可能起源于气管软骨膜，同时揭示SPP1high巨噬细胞是LTS中最大的巨噬细胞亚群。该研究为理解气道重塑机制提供了重要资源，并为开发靶向治疗策略奠定基础。

　　

喉气管狭窄(LTS)作为临床上棘手的上呼吸道疾病，其典型特征是细胞外基质(ECM)异常沉积导致的气道狭窄。随着COVID-19等公共卫生事件中气管插管应用的增加，医源性LTS的发生率显著上升。尽管手术是目前主要治疗手段，但再狭窄率高和并发症多的问题始终未能解决。这种临床困境的核心在于对LTS发生发展过程中细胞分子机制的认知不足——特别是对ECM主要生产者成纤维细胞的异质性，以及与其相互作用的巨噬细胞亚群的功能特性缺乏系统研究。传统观点将成纤维细胞和巨噬细胞视为同质化群体，这种简化认知严重限制了靶向治疗策略的开发。上海交通大学医学院附属上海儿童医院的研究团队创新性地采用动态单细胞转录组技术，首次绘制了LTS发展过程中的细胞图谱，为破解这一临床难题提供了新的突破口。

研究团队建立了大鼠LTS模型，在损伤后1、3、5、7天四个时间点采集样本。通过组织学分析验证模型成功后，采用10x Genomics平台进行单细胞转录组测序，获得47,068个高质量细胞数据。利用Seurat进行质量控制、标准化和聚类分析，Monocle2进行伪时间轨迹分析，CellPhoneDB解析细胞间通讯，并结合GO/KEGG功能富集分析揭示不同细胞亚群的特征和功能。

研究首先通过UMAP可视化鉴定出8种主要细胞类型，发现随着LTS进展，成纤维细胞比例显著增加而免疫细胞减少。深入分析揭示了8个成纤维细胞亚群，包括具有独特软骨生成特征的CIRF亚群（高表达Ucma和Col2a1等标志物）、纤维化亚群（高表达Postn和Col1a1）以及上皮-间质转化(EMT)相关亚群等。伪时间轨迹分析显示CIRF位于分化起点，提示其可能起源于气管软骨膜细胞。功能分析表明CIRF和纤维化成纤维细胞均富集ECM相关通路，但CIRF特异性参与"骨骼系统发育"等软骨相关过程。动态比例变化显示CIRF在损伤后期成为主导亚群。

在髓系细胞方面，研究鉴定出9个亚群，其中SPP1^high巨噬细胞占比最大。极化评分分析发现这些巨噬细胞不符合经典M1/M2分类，呈现重编程表型。特别值得注意的是，表达促炎因子IL1b的巨噬细胞亚群同时表现出促纤维化潜力。细胞互作分析揭示成纤维细胞亚群内部通讯强度高于其与巨噬细胞的互作，其中纤维化成纤维细胞（Postn⁺）是主要信号枢纽。APP-CD74轴在CIRF与树突状细胞互作中显著富集，提示其在LTS发展中的关键作用。

这项研究首次系统描绘了LTS发展过程中的单细胞动态图谱，具有多重科学意义：其一，发现并命名了CIRF这一具有软骨生成特征的成纤维细胞新亚群，提出其可能来源于气管软骨膜的理论，为理解LTS特异性病理机制提供了新视角；其二，明确了SPP1^high巨噬细胞在LTS中的主导地位，丰富了人们对纤维化疾病中巨噬细胞异质性的认知；其三，揭示了成纤维细胞亚群间复杂的互作网络，特别是Postn⁺成纤维细胞的调控核心作用，为开发靶向干预策略提供了新思路。这些发现不仅深化了对LTS发病机制的理解，也为其他呼吸道纤维化疾病的研究提供了可借鉴的分析框架。未来研究需要进一步验证CIRF的起源及其向纤维化成纤维细胞的转化机制，并探索阻断关键细胞互作（如APP-CD74轴）的治疗潜力。