当单细胞遇上空间技术：新的肺部免疫生态位为抗体提供了长期的藏身之处

当两种技术强强联合来解决复杂生物学中的“what”和“where”问题时，会发生什么？10x Genomics在“当单细胞遇上空间技术”系列文章中分享了这些故事，重点介绍了充分利用两种技术优势的研究，体现了它们联用后如何发挥更大的作用。

尽管单细胞基因表达分析提供了一张高分辨率的视图来了解复杂样本的细胞异质性，但在将样本消化为单细胞悬液后，科学家们失去了关键的背景信息。随着空间转录组学的加入，研究人员不仅可以获得与细胞定位、细胞间相互作用和细胞信号转导有关的关键信息，还可以利用单细胞分析提供的分辨率在形态学背景下重新识别细胞类型。

 关于肺部免疫 我们仍在不断学习 

从每年的流感到COVID-19大流行，传染病发展的趋势一再向我们表明，肺部是人体的免疫战场。这场病毒与宿主的战斗蕴藏着高风险。

肺部不仅是病原体最常攻击的环境，而且作为气体交换的器官，它们正常行使功能对人体健康至关重要，而且无法忍受间接损伤(1)。

肺部驻留的先天性和适应性免疫细胞，以及特化的呼吸道上皮细胞，为我们的肺部配备了抵御传染源的火力(1)，但我们仍在了解有哪些细胞在执行这些保护功能。Wellcome Sanger研究所的研究人员近日在《Nature Genetics》上发表文章，建立了一份健康人类肺部和气道的单细胞和空间图谱，并揭示了一个可能支持呼吸系统健康的新的IgA浆细胞的免疫生态位(2)。他们的结果以公开数据集的形式提供，包括80种不同的细胞类型和状态，其中11种是先前未被注释的细胞群，这些结果是对人类肺细胞图谱（Human Lung Cell Atlas）的重大贡献。

本文将带您了解单细胞和空间基因表达技术的组合如何推动这些发现，以及如何为我们了解肺部的细胞异质性和免疫力增添新的维度。

 绘制肺部和气道中的已知细胞、稀有细胞和新型细胞 

肺部的基本功能（包括气体交换和免疫监视）最终是由细胞来维持的，这些细胞包含多个不同的细胞类型，彼此之间有着协调关系。它们共同构成了呼吸系统的组织结构。

组成传导气道的细胞示意图，图中也显示了粘膜下腺。图片来源：Bennet TJ, et al. Airway-On-A-Chip: Designs and applications for lung repair and disease. Cells 10: 1602 (2021). https://doi.org/10.3390/cells10071602. (CC BY 4.0)

为了探索人类肺部和气道的复杂细胞微环境，Wellcome Sanger研究所的科学家们采用10x Genomics公司的单细胞/单细胞核RNA-seq（sc/snRNA-seq）和Visium空间转录组学对健康的人类气管、支气管以及上下实质样本进行了深度组织分析。此次空间分析包括20张组织切片。利用cell2location算法，他们用单细胞数据对Visium数据进行去卷积——换句话说，确定“悬浮细胞液中哪些细胞类型的丰度可以解释Visium数据中观察到的mRNA计数(2)”。

这种综合分析方法使得研究团队不仅能够表征预期的细胞群，还能揭示稀有的细胞类型。他们表征了一个免疫招募的成纤维细胞群（IR-fibro），这个细胞群定位在支气管内罕见的免疫浸润微环境中。研究团队利用IR-fibro标志物基因（包括负责在次级淋巴器官中招募T细胞和B细胞的趋化因子）在现有的肺细胞图谱数据中检测到这种细胞类型。他们还描述了一种稀有但以往未鉴定的巨噬细胞亚型，其特点是有着独特的趋化因子表达谱，并与肺部感染、哮喘和银屑病相关的巨噬细胞群相关联。团队还首次描述了人类肺部的CD11d+自然杀伤细胞群，这类细胞通常在血液中观察到，并在感染时激活(2)。

通过这种以往无法获得的单细胞及空间分辨率来分析人类肺部的免疫细胞，研究团队能够追踪到气管粘膜下腺（SMG）中分泌IgA抗体的浆细胞群。浆细胞与组成SMG的导管、粘液和浆液细胞有着共同的定位。他们对福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）的气管样本开展了空间转录组学和免疫组化分析（前者提供了浆液腺和粘液腺的精细视图），证实了这些IgA浆细胞在SMG中的优先定位模式。相反，一种IgG亚型被排除在SMG之外，定位在免疫浸润区(2)。

 持久的抗体免疫--肺部健康的关键因素 

众所周知，粘膜IgA是抵御呼吸道感染的一个重要因素(2)。

在呼吸道病毒感染或免疫接种后，驻留的抗体分泌细胞的发育对建立持久的免疫保护来抵御气道病原体至关重要(3)。

Robert E Sealy

通过回顾现有的COVID-19患者肺部样本的单细胞数据，研究团队证实了IgA的重要性——与健康对照相比，COVID-19患者的IgA浆细胞丰度明显增加。考虑到这一证据，研究团队总结道，IgA浆细胞与SMG中的一群初始B细胞和CD4+辅助T细胞共同形成了腺体相关的免疫生态位，它可能与疾病高度相关(2)。

不过，他们还将研究向前推进了一步。研究团队利用空间数据和CellChat工具开展细胞间相互作用分析，发现了SMG上皮细胞和浆细胞之间的细胞通讯轴，预测SMG导管细胞通过趋化因子配体20（CCL20）来招募记忆和初始B细胞以及CD4+ T细胞。此外，研究还表明SMG导管和浆液细胞表达增殖诱导配体（APRIL），当它与B细胞的表面受体相互作用时，支持B细胞存活、分化和类别转换(2)。

这些细胞和分子通路在抗病毒呼吸免疫的背景下产生和支持免疫招募及抗体分泌，对这些通路的了解为寻找一些后续问题的答案奠定了基础：

1. 在长期的抗病毒保护中，这些免疫生态位的基本贡献及其核心功能是什么？

2. 我们如何更好地设计疫苗，以便在这些驻留肺部的免疫生态位中持久分泌抗体？

3. 这些系统中的哪些部分出错会导致过度炎症反应，或细胞因子风暴和由此产生的组织损伤，或急性呼吸窘迫综合征？

这些问题的答案目前还不清楚，但随着全面的肺部单细胞和空间图谱出炉，免疫学和传染病研究界距离获得答案又近了一步。

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参考资料：

1. The lungs at the frontlines of immunity. Nat Immunol 16: 17 (2015). doi: 10.1038/ni.3069

2. Madissoon E, et al. A spatially resolved atlas of the human lung characterizes a gland-associated immune niche. Nat Genet 55: 66–77 (2022). doi: 10.1038/s41588-022-01243-4

3. Sealy R, et al. Antibody-secreting cells in respiratory tract tissues in the absence of eosinophils as supportive partners. Int Immunol 28: 559–564 (2016). doi: 10.1093/intimm/dxw03

4. https://5locationslung.cellgeni.sanger.ac.uk/

5. https://www.lungcellatlas.org/