CosMx助力揭示狼瘡腎炎中腎基質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纖維化發(fā)展中的預測作用�？傊�，單細胞分辨率空間轉錄組學的應用，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：單細胞空間轉錄組分析揭示兒童期發(fā)病的狼瘡腎炎中腎基質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 研究內容

1、cLN的單細胞分辨率空間轉錄組學研究
為了識別cLN中腎臟炎癥的空間異質性，研究者使用單細胞分辨率的空間轉錄組學技術—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錄組圖譜。

Fig.1 cLN 腎臟細胞空間轉錄組圖譜

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、腎小球交界、腎小管間質以及免疫熱點區(qū)域（在鄰近的0.5mm范圍內包含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，大部分巨噬細胞彌散分布在小管間質區(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。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)域內巨噬細胞與腎小球區(qū)域外巨噬細胞表現(xiàn)出不同的轉錄特征，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。局部病灶內的漿細胞表達了IgA、IgG和IgM免疫球蛋白基因轉錄本，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。并且在小管間質的免疫熱點區(qū)域內，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節(jié)機制相一致的轉錄特征。

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的浸潤性免疫細胞和腎基質細胞進行綜合分析，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錄變化，與疾病病理相關。例如，cLN腎小球內皮細胞TEK和CLEC1A等基因表達下降，提示腎小球內皮功能的改變并與周圍系膜基質存在串擾。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)域內兩個不同gene module、與腎小管間質纖維化誘導相關的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錄組圖譜，鑒定了cLN中腎小球和小管間質免疫熱點區(qū)域內的免疫景觀。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。