文献解读 | 看看多组学分析如何发Nature

纤维化（Fibrosis）是许多器官损伤后的常见病理过程，其特征是胶原蛋白基质的异常积累。在小鼠肺博来霉素损伤模型中，纤维化经历了从损伤到消退的有序过程。为了深入了解这一过程，研究人员通过高维组织学特征绘制了基质变化的时空轨迹，揭示了组织学结构从均匀到无序的可逆转变。单细胞测序技术识别了在损伤后不同阶段富集的成纤维细胞亚型，包括“ECM 分泌”型（表达Csmd1）和“促消退”型（表达Cd248）。空间转录组学分析进一步揭示了这些成纤维细胞亚型在基质结构和转录环境中的差异，并鉴定了与纤维化和非纤维化相关的生物分子环境。重要的是，促消退成纤维细胞的体内滴注实验显示其具有改善纤维化的潜力。此外，体外实验表明，成纤维细胞邻里相关因子SERPINE2和PI16在调节人肺纤维化中具有功能作用。最后，在特发性肺纤维化患者样本中也观察到了类似的成纤维细胞亚型和空间表型。

这些发现为理解肺纤维化的发生和消退提供了新的视角，并强调了成纤维细胞在调节纤维化进程中的关键作用，为纤维化疾病的治疗提供了潜在的细胞和治疗靶点。

一、使用高维纤维算法，系统分析肺纤维化进展轨迹

l 分析了2500多张偏振光天狼星红染色图像，每张图像量化了294个特征，这些特征包括纤维长度、周长、纤维分支和孔隙率等。

l 降维算法——UMAP，给每张图像分配了一个“伪时间（pseudotime）”值。

（图1 均匀和无序基质结构之间的可逆过渡定义了纤维化和纤维化后组织学轨迹随时间的变化）

二、单细胞转录组学分析（Single-cell transcriptomics）

l 从肺的单细胞转录组学分析中分析整体细胞表型

l 基于配体-受体相互作用，对纤维化和分辨率降低过程中细胞间信号传导的差异进行 CellChat 分析

（图2 不同的 ECM 分泌型（Csmd1 ）和促分解（Cd248 ）成纤维细胞亚型分别在纤维化和纤维化后消退期间暂时富集）

三、单细胞表观基因组学（Single-cell epigenomics）

l scATAC-seq测序分析了超过8.5万个细胞核，分别来自纤维化前（PID 0）、纤维化期（PID 14）和恢复期（PID 35），通过Signac把这些细胞与scRNA-seq数据对应，成功识别出大多数已知的肺细胞类型，特别是成纤维细胞。

l 基因富集分析

l 转录因子富集分析：

（图3 成纤维细胞在切换到后纤维化分辨率期间经历从机械纤维化到修复基因可及性的表观遗传转变）

四、空间转录组学分析（Spatial transcriptomics）

l Visium 空间测序，然后与 scRNA-seq 整合以分配细胞类型概率基因富集分析

l 芯片细胞定位分析

l 不同细胞类型互作分析

（图4 成纤维细胞空间组织在从纤维化到纤维化后分辨率的过渡过程中进化，包括按亚型划分的差异细胞间相互作用）

五、临床样本验证

l SERPINE2 是一种促纤维化蛋白

l PI16 是一种可能具有抗纤维化功能

（图5 PI16 和 SERPINE2 分别富集于非纤维化和纤维化肺泡组织邻域，在体外调节人肺纤维化。）

l 使用 CODEX 技术，36个蛋白标记物，分析了超过236,000个细胞，并识别出了包括：ATI/ATII 上皮细胞、内皮细胞、髓系免疫细胞、T细胞、平滑肌细胞、增殖细胞等

（图6 人类 IPF 的蛋白质水平空间表型）

本研究展示了如何通过单细胞转录组学、单细胞表观组学，空间转录组学和空间蛋白组学分析揭示肺纤维化中成纤维细胞的异质性，并在小鼠与人类中发现了新的抗纤维化细胞类型（CD248+ fibroblasts）和分子（如 PI16）。这些发现为未来的肺纤维化治疗靶点开发提供了重要基础。