2025年02月03日，美国亚利桑那州凤凰城转化基因组学研究所生物创新和基因组科学部发表了题为“ 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平台，揭示了与肺纤维化远端肺重塑相关的特征。
该项目利用Xenium及Visium HD可接续实验的方案，一张切片完成两个平台实验，真正实现同一样本的分子水平和病理水平的共同分析，实验结果更准确！
摘要
大规模的肺泡结构和细胞组成的改变是肺纤维化（PF）的标志性特征，但导致疾病病理发展的空间背景仍然不确定。通过基于图像的空间转录组学分析，对35个独特肺部的160万个细胞的基因表达进行了分析。表征了肺纤维化相关细胞类型的定位，确立了经典PF组织病理学特征的细胞和分子基础，并在正常和PF肺中识别出控制和空间特异性分子定义的各种不同分子特性的区域。利用机器学习和轨迹分析对重塑严重程度梯度上的空腔进行分割和排名，我们识别出了与渐进性肺部病理相关的组成性和分子性变化，始于肺泡上皮调节异常，并以巨噬细胞极化的变化为终点。这些结果一并提供了对PF的独特空间解析视角，并确立了可以应用于其他空间转录组研究的方法。
样本收集
9例对照样本和26例疾病样本制成组织芯片（TMA）
Xenium探针共343 genes
肺组织固定panel（早期版本：246 genes）+定制panel（97 genes）
技术
Xenium、Visium HD（同一张样本Xenium下机后继续做Visium HD，真正实现同一样本共同分析）
研究思路图
分析工具
GraphSAGE、Seurat v5
GraphSAGE作为一种图神经网络模型，能够有效捕捉转录本之间的局部邻域信息，从而定义出新的嵌入空间，为后续聚类分析提供了坚实基础。
Seurat v5则是一种广泛应用于单细胞数据分析的强大工具，它通过基于空间位置和细胞类型的局部邻域构建，实现了对细胞群体的高效聚类。这两种工具的结合使用，极大地提升了数据解析的准确性和效率。
1. 肺细胞多样化
共鉴定了 47 种细胞类型，更好地反映了疾病状态下肺的细胞组成。空间数据使我们能够识别成纤维细胞亚型，包括广泛分散于肺部的肺泡成纤维细胞、传导气道和肺泡管周围的肌成纤维细胞、斑块状病灶中的“纤维化”活化成纤维细胞和毗邻胸膜表面间皮细胞的“胸膜下”成纤维细胞。后续分析，比较了不同分类名称之间以及“病理百分比”定量指标之间的细胞和分子变化，并根据临床医生的注释描述了 27 种特定的 PF 组织病理学特征。
2. 生态位分析揭示疾病引发的细胞相互作用
作者开发了一种新方法，通过直接使用转录本数据来识别与细胞分配无关的生态位。使用 GraphSAGE，根据转录本数据的空间位置训练了一个图神经网络模型，以聚合局部邻域信息并定义一个嵌入空间，该嵌入空间为数据集中的所有单个转录本提供新的表示。然后，应用Gaussian mixture models对嵌入空间中的转录本进行聚类并识别生态位，使用共识方法将细胞分配到这些生态位。在这两种分析中，确定了 12 个生态位，它们显示出不同的基因表达特征和细胞类型组成。例如气道微环境 C1 和 T7 以及淋巴微环境 T2 和 C9 分别描述了特定气道和淋巴细胞类型之间的紧密空间关系。微环境还捕捉了不同谱系细胞之间更复杂的关系，包括“健康”肺泡微环境（T4；C8），其中包括 AT1、AT2、毛细血管细胞和肺泡成纤维细胞等细胞类型。并且在生态位分析的指导下，我们在更多样本中发现了表现出上皮脱离的其他区域。这些发现凸显了空间转录组数据直接从分子数据中识别特定疾病相关病理特征的潜力。
3. 疾病引起的巨噬细胞在肺泡中聚集
在Xenium数据中发现，与气腔积聚相关的巨噬细胞似乎包括两个截然不同的群体，一个主要以 FABP4 为标志物，另一个以 SPP1 为标志物。肺泡内 FABP4+（肺泡）巨噬细胞群和间质中 SPP1+巨噬细胞群较少。尽管在气腔内积聚，但 FABP4+巨噬细胞在受影响较小的样本中占巨噬细胞总数的比例仅略有增加，并且随着病理百分比的增加而减少。在对照肺中观察到 SPP1+巨噬细胞，但在受影响较多的样本中占总巨噬细胞群的比例更高，并且 SPP1表达增加与更高的病理评分相关，这表明巨噬细胞表型的进化是进行性 PF 的特征。在相同样本的 Visium HD 数据也证实了远端气腔中存在 FABP4+和混合 FABP4+/SPP1+积聚。
4. 细胞重塑时间表
利用一种机器学习方法，根据转录本表达的空间模式识别和分割样本中的管腔，使用谱聚类将表达变化分为以下四大类：稳态和早期、中期和重塑晚期。主要揭示了从健康到严重纤维化的分子和细胞变化的顺序，初始肺泡重塑是由肺泡毛细血管界面的破坏和上皮中再生相关程序的激活所驱动，随后是上皮下成纤维细胞的激活，然后是髓样细胞募集/增殖。
通过Xenium和Visium HD两种技术揭示了KRT5−/KRT17+细胞的脱落现象及其与周围细胞的关系，这是以往单细胞测序技术难以捕捉到的现象。研究还通过机器学习和轨迹分析，系统地解析了不同病理阶段的分子特征，为理解肺纤维化的分子演变提供了全新的视角，强调了细胞异质性和空间分布对疾病进展的重要影响，提示未来研究应更加关注这些因素在疾病发展中的作用。