第一个人类肺细胞图谱诞生:240多万个细胞

文章发表在《Nature Medicine》，测序了240多万个细胞，发现了多种新的细胞类型，全面参考了肺部的健康/疾病状况。

　　

单细胞测序技术已经改变了我们对人体组织的理解，但一项研究通常只有有限的样本数量和细胞类型定义的差异。整合多个单细胞数据集可以消除单个研究的局限性，并确定种群水平的差异。变异性，促进对健康和病变组织之间差异的理解。

在最近的《Nature Medicine》杂志上，一个国际研究小组发表了迄今为止规模最大、最全面的人类肺细胞图谱(HLCA)，整合了来自49个人类呼吸系统数据库的数据，包括来自486名参与者的240多万份数据。细胞。

本研究的通讯作者来自德国慕尼黑亥姆霍兹中心计算生物学研究所和肺部健康与免疫研究所[1]。

HLCA基于匹配的标记基因注释了不同的细胞类型，包括一些罕见的和以前未发现的，并突出了健康个体之间的细胞差异。

利用HLCA作为疾病研究的参考，研究小组还发现了多种肺部疾病的共享细胞状态，例如COVID-19，肺纤维化和肺癌中的SPP1 +促纤维化单核细胞源性巨噬细胞，这有助于我们对肺部疾病的理解提供新的见解，同时有助于确定新的治疗靶点。

为了构建HLCA，研究人员首先收集了来自14个数据集的单细胞rna测序数据和详细的、统一的技术、生物和人口统计元数据，其中包括107个年龄、性别、种族、BMI和吸烟状况不同的个体。来自参与者的166个组织样本。

他们将样本的解剖位置投影到一个代表呼吸系统从近端到远端起源的一维共同坐标框架(CCF)上，以标准化解剖位置的起源，并构建了一个五级层次的细胞身份参考框架，将收集到的每个数据的细胞身份标签映射到一个层次参考框架中，细胞类型命名统一;并计算每个样品中不同细胞类型的比例。

整合后，研究人员构建了HLCA核心，在此基础上，他们将包含疾病样本的35个额外数据集映射到HLCA核心，将图谱中包含的细胞总数扩大到240万个。

HLCA鉴定了6种以前未在人肺组织中发现或仅在个别研究中发现的细胞类型，包括迁移树突状细胞(312)、造血干细胞(60)、超增殖堆积上皮细胞(4600)、0型肺泡细胞(1440)、末细支气管前分泌细胞(4393)和平滑肌细胞亚群(335)。它们绝大多数存在于气道中，表达典型的平滑肌细胞标记物CNN1和MYH11以及一种独特的标记物FAM83D。

人口统计学和其他因素影响细胞转录表型，例如性别与淋巴内皮细胞的转录组变异最相关，BMI与B细胞和T细胞的变异最相关，吸烟状况与先天淋巴细胞/自然杀手最相关。细胞变异的相关性最高，有助于研究人员了解性别等危险因素的影响。体重指数和吸烟对肺组织由健康状态向病变状态发展的影响。

在疾病的单细胞研究中，需要足够数量的匹配对照样本来正确识别疾病特异性变化。

既往研究提示ACKR1在肿瘤内皮细胞中特异性高表达，与不良预后相关，但本研究基于多个作图数据集和HLCA对照，ACKR1在健康组织中，尤其是在静脉内皮细胞中也有高表达，提示ACKR1并不是肿瘤特异性的内皮细胞标志物。

因此，HLCA可以为疾病研究提供全面的健康对照，防止采样和实验设计的局限性被误解为健康组织和病变组织之间的差异。

此外，HLCA还可以为全基因组关联研究(genome-wide association studies, GWAS)等大规模疾病遗传学研究提供全面可靠的背景参考。由于包含了包含疾病样本的数据集，HLCA还可以提供疾病特异性细胞状态的参考。

以特发性肺纤维化(IPF)为例，基于先前的一项研究，研究人员发现，与健康对照组相比，标记为肺泡成纤维细胞的细胞在IPF样本中始终表现出高度的不确定性，而基于HLCA和纳入的IPF数据集，肺泡成纤维细胞的聚类分析显示，绝大多数来自IPF患者的细胞聚集在一个簇中，其特征是IPF相关基因(CCL2、COL1A1、CTHRC1和MMP19)，以及纤维化相关标志物，包括细胞外基质分解抑制剂SERPINE1和慢性缺氧反应基因HIF1A。

HLCA包含多种肺部疾病的数据。先前的研究已经在IPF、COVID-19和肺癌中发现了促纤维化SPP1 +单核细胞来源的巨噬细胞(MDMs)。利用HLCA，研究人员重现了这一发现。

他们对HLCA中的所有MDM进行了聚类分析，确定了四种主要的MDM亚型，它们具有不同的基因表达模式和疾病富集模式，代表了单核细胞向MDM分化和对疾病微环境的适应的不同阶段。

第一类是早期炎性MDM(簇2)，CCL2高表达，主要来自COVID-19肺炎患者疾病早期的肺泡灌洗液样本;第二类是表达炎症和吞噬相关基因的MDM(簇2)，类4)，在COVID-19肺炎和肺癌患者中富集;第三类是分化程度较高的MDM(簇3)，主要来自非疾病样本;第四类MDM高表达SPP1、LPL和CHIT1(簇0)，主要来自IPF样本，在COVID-19病程晚期死亡并在COVID-19后发生肺纤维化的患者和肺癌样本中也有富集。

SPP1、LPL和CHIT1都被证明在肺纤维化的发生中起因果作用，CHIT1目前是IPF治疗的研究靶点。这表明晚期COVID-19和肺癌与IPF“共享”部分MDM纤维化表型，可能加速发现有效的疾病治疗方法。

总的来说，本研究作为全球人类细胞图谱项目的一部分，建立了第一个完整的人类肺单细胞图谱，以健康肺细胞为核心，辐射了十多种肺部疾病数据。

参与这项研究的美国西北大学范伯格医学院的研究人员表示，HLCA作为第一个完整的主要器官参考图，是实现完整的人体细胞图谱的里程碑，将改变我们对生物学和疾病的理解。

[1] Sikkema L, Ramírez-Suástegui C, Strobl DC, et al. An integrated cell atlas of the lung in health and disease[J]. Nature Medicine, 2023: 1-15.