CosMx助力揭示狼瘡腎炎中腎基質(zhì)和浸潤免疫細胞間復雜的相互作用

患有系統(tǒng)性紅斑狼瘡 (SLE)的兒童 （稱為兒童期狼瘡性腎炎，cLN）患腎臟疾病的風險增加。本研究利用單細胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學技術（CosMx SMI），生成了來自 8 名 cLN 患者和兩名對照者的腎組織（> 400,000 個細胞）的單細胞分辨率空間圖譜。分析結果顯示，不同類型的免疫細胞定位于 cLN 腎臟的特定區(qū)域，并且基因表達具有空間異質(zhì)性，為 SLE 的免疫發(fā)病機制提供新的見解。此外，研究者還確定了空間相關gene module在炎癥誘導和腎小管間質(zhì)纖維化發(fā)展中的預測作用。總之，單細胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學的應用，為cLN發(fā)展機制提供了新的見解，有利于更有針對性和個性化的治療。

01 文章詳情

文章題目：Single cell spatial transcriptomic profiling of childhood-onset lupus nephritis reveals complex interactions between kidney stroma and infiltrating immune cells.
中文題目：單細胞空間轉(zhuǎn)錄組分析揭示兒童期發(fā)病的狼瘡腎炎中腎基質(zhì)和浸潤免疫細胞之間復雜的相互作用
發(fā)表時間：2023.11
期刊名稱：bioRxiv
實驗平臺：空間轉(zhuǎn)錄組測序（NanoString CosMx SMI）
DOI：doi.org/10.1101/2023.11.09.566503

02 研究設計

03 研究內(nèi)容

1、cLN的單細胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學研究
為了識別cLN中腎臟炎癥的空間異質(zhì)性，研究者使用單細胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組學技術—CosMx SMI，對2名對照和8例狼瘡性腎炎患兒（SLE1~SLE7）的腎活檢組織進行分析，結果共鑒定了447,892個細胞（平均每個活檢組織37,324個細胞）。使用InSituType 工具對細胞進行聚類和注釋，共得到了35種細胞類型。接下來，研究者利用形態(tài)學標記物panCK進行染色（標記腎遠端小管），進一步驗證腎細胞的分型。其中連接小管細胞、閏細胞（type A、B）以及主細胞定位于panCK+遠端小管段。總之，利用CosMx SMI研究者生成了一個全面的腎臟細胞空間轉(zhuǎn)錄組圖譜。

Fig.1 cLN 腎臟細胞空間轉(zhuǎn)錄組圖譜

2、cLN的免疫學景觀
通過細胞比例分析發(fā)現(xiàn)，在cLN中免疫浸潤增加，但在不同cLN患者之間具有明顯的異質(zhì)性，其中巨噬細胞是細胞占比最豐富的細胞類型。為了研究不同類型的免疫細胞在腎臟的分布是否具有空間異質(zhì)性，研究者首先將腎組織切片劃分為4個空間區(qū)域，分別定義為：腎小球內(nèi)、腎小球交界、腎小管間質(zhì)以及免疫熱點區(qū)域（在鄰近的0.5mm范圍內(nèi)包含³50 immune cells的區(qū)域），并通過結合CosMx數(shù)據(jù)，分析不同區(qū)域內(nèi)免疫細胞占比。結果發(fā)現(xiàn)，在cLN腎小球中，髓系細胞系和巨噬細胞的比例增加；在cLN其他腎臟區(qū)域內(nèi)，大部分巨噬細胞彌散分布在小管間質(zhì)區(qū)。此外，B細胞數(shù)量遠高于T細胞的數(shù)量，更廣泛地分布于整個腎小管間質(zhì)。通過CosMx SMI技術，研究者繪制了cLN中腎組織的免疫學景觀。

Fig.2 cLN患者腎組織的免疫景觀

3、不同區(qū)域巨噬細胞基因表達特征以及免疫熱點區(qū)域內(nèi)B細胞空間相互作用
研究者進一步分析了cLN腎小球區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域外巨噬細胞的差異表達基因，結果發(fā)現(xiàn)在cLN中，腎小球炎癥區(qū)域內(nèi)巨噬細胞與腎小球區(qū)域外巨噬細胞表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)錄特征，表明巨噬細胞特征在cLN疾病中與空間分布位置密切相關。

Fig.3 cLN巨噬細胞中基因表達的空間分布

B細胞與cLN發(fā)病密切相關，因此研究者研究了cLN免疫熱點區(qū)域中B細胞的基因表達模式和相互作用網(wǎng)絡。局部病灶內(nèi)的漿細胞表達了IgA、IgG和IgM免疫球蛋白基因轉(zhuǎn)錄本，說明在cLN中，持續(xù)的適應性免疫應答促進局部漿細胞生成。通過空間可視化圖，證實了B細胞、漿細胞、巨噬細胞和CD4+ T細胞之間的空間相互作用。網(wǎng)絡分析也發(fā)現(xiàn)，在cLN中存在一個小管間質(zhì)網(wǎng)絡，B.3亞群作為中心節(jié)點，并表現(xiàn)出與記憶T細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞和其他B細胞亞簇的相互作用。并且在小管間質(zhì)的免疫熱點區(qū)域內(nèi)，B細胞、髓系細胞和T細胞之間的空間相互作用表現(xiàn)出與適應性免疫功能和調(diào)節(jié)機制相一致的轉(zhuǎn)錄特征。

Fig.4  免疫熱點區(qū)域中B細胞相互作用模式

4、cLN中常駐腎小球細胞以及基因表達與疾病相關性
通過CosMx技術對同一組織切片內(nèi)的浸潤性免疫細胞和腎基質(zhì)細胞進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)cLN中系膜細胞與足細胞的比例增加。接下來，研究者進一步研究在cSLE中腎小球細胞中轉(zhuǎn)錄組的改變與疾病的相關性。結果顯示，在SLE中，常駐腎小球細胞中存在廣泛的轉(zhuǎn)錄變化，與疾病病理相關。例如，cLN腎小球內(nèi)皮細胞TEK和CLEC1A等基因表達下降，提示腎小球內(nèi)皮功能的改變并與周圍系膜基質(zhì)存在串擾。以上數(shù)據(jù)說明，cLN中腎小球細胞基因表達發(fā)生明顯改變，并與疾病的發(fā)展機制密切相關。

Fig.5  常駐腎小球細胞基因表達改變

5、與cLN中炎癥和組織纖維化誘導相關的空間gene module的鑒定
研究者利用InSituCor，分析鑒定了51個不同的gene module，包括干擾素刺激基因（ISG）相關的gene module、巨噬細胞富集空間區(qū)域內(nèi)兩個不同gene module、與腎小管間質(zhì)纖維化誘導相關的gene module等。值得注意的是，這些不同功能相關的gene module在空間表達的分布也與組織病理學存在一致性。例如，在組織病理學上，在缺乏明顯的腎小管間質(zhì)纖維化的腎臟區(qū)域觀察到纖維化相關gene module的表達。該部分結果說明鑒定到的空間gene module在炎癥誘導和腎小管間質(zhì)纖維化發(fā)展中具有一定的預測作用。

Fig.6  腎小球基因表達與組織組織病理學相關性

04 研究結論

本研究利用CosMx SMI 技術對cLN患者的腎活檢組織進行分析，繪制了腎組織細胞空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，鑒定了cLN中腎小球和小管間質(zhì)免疫熱點區(qū)域內(nèi)的免疫景觀。同時確定了與促炎和纖維化相關的gene module，為疾病發(fā)展的預測提供了指導意義。這些發(fā)現(xiàn)不僅為狼瘡的研究提供了重要資源，同時也具有重要的治療意義。