空间表型解析揭示哮喘与COPD患者支气管微环境中细胞互作与基质重塑的异质性特征

本研究通过Akoya PhenoCycler?-Fusion系统开发10重抗体标记策略，首次在FFPE样本中实现哮喘、COPD与非哮喘人群支气管组织的空间表型分析。研究人员采用深度学习方法对免疫细胞(CD45+、CD3+)、增殖标志物(Ki67、PCNA)及ECM成分进行单细胞分割，发现COPD组基质细胞占比显著升高(40% vs 28%)，而哮喘组未分类细胞(50%)和CD8+T细胞明显富集。空间共定位分析揭示哮喘中T细胞与免疫/基质细胞的强相互作用，以及COPD特有的血管平滑肌生态位。该研究为理解气道重构的细胞机制提供了全新空间维度证据。

　　

慢性呼吸道疾病如哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)影响着全球数亿人口，尽管在病理生理学研究方面已取得显著进展，但关于气道微环境中不同类型细胞如何通过空间排列和相互作用驱动疾病特异性重构仍存在重大知识空白。传统单细胞技术无法捕捉细胞在原生组织中的三维关系，而新兴的空间组学技术为解析这种"细胞社会"的拓扑结构提供了全新工具。

Mayo Clinic的研究团队在《Respiratory Research》发表的研究中，创新性地采用Akoya PhenoCycler?-Fusion空间蛋白质组技术，对17例手术获取的肺组织样本（非哮喘5例、哮喘4例、COPD8例）进行10标志物多重免疫荧光分析。研究通过DeepCell Mesmer算法实现单细胞分割，结合Seurat聚类和Scimap空间分析，系统比较了三组人群支气管壁中免疫细胞、结构细胞与细胞外基质的分布模式及相互作用特征。

关键技术方法包括：1）建立包含CD45、CD3、CD4、CD8、Ki67等10种抗体的标记体系；2）基于DAPI和E-Cadherin的深度学习单细胞分割；3）使用bestNormalize算法进行批次校正；4）采用1200次置换检验分析细胞共定位；5）定义75μm半径的生态位进行微环境解析。

【Evaluating antibody panel performance in lung tissues】
验证性实验显示抗体组合在扁桃体、结肠等对照组织中具有良好特异性。代表性图像清晰展示上皮细胞(E-cadherin⁺)、T细胞(CD3⁺CD4⁺/CD8⁺)和平滑肌细胞(SMA⁺)的定位，为后续分析奠定基础。

【Unsupervised clustering of multiplex staining data】
无监督聚类识别出7类细胞群体：上皮细胞、基质细胞、细胞毒性T细胞(CD8⁺)、辅助T细胞(CD4⁺)、其他免疫细胞、平滑肌细胞和未分类细胞。验证显示聚类结果与形态学特征高度一致。

【Cell type abundance analysis】
定量分析揭示COPD组基质细胞比例显著高于非哮喘组(40% vs 32%, p=0.02)，符合其纤维化特征；哮喘组未分类细胞达50%(p=0.00062)，且CD8⁺T细胞显著增多，提示独特免疫应答模式。

【Cell state abundance analysis】
功能表型分析显示Ki67⁺增殖细胞在哮喘上皮和COPD基质中富集，但组间差异未达统计学显著性，可能受样本量限制。

【Spatial analysis of functional phenotypes】
空间分析发现非哮喘组细胞分布接近随机，而哮喘组呈现CD4⁺T细胞与其它免疫细胞的显著共定位(p<0.01)。值得注意的是，两组疾病均显示T细胞对平滑肌的"回避"现象，且增殖标志物在特定细胞互作中呈现差异化分布。

【Cellular neighborhoods and their impact】
生态位分析鉴定出7类特征性微环境，其中哮喘组以未分类细胞富集生态位(#1)为主，COPD组则显著富含胶原生态位(#4)。血管/平滑肌生态位(#5)在两组疾病中均较非哮喘组扩大，提示血管重塑可能是共同病理特征。

这项研究通过空间表型技术首次系统描绘了哮喘与COPD的气道细胞景观差异：1）COPD表现为以基质重构为主导的纤维化模式；2）哮喘呈现以未分类细胞扩增和CD8⁺T细胞浸润为特征的免疫激活状态；3）两组疾病共享血管重塑特征但具有不同的细胞互作网络。这些发现不仅为理解疾病异质性提供了新的空间生物学证据，更重要的是揭示了潜在的治疗靶点——针对COPD的纤维化进程或可侧重干预基质细胞生态位，而哮喘治疗可能需要考虑调控CD8⁺T细胞的空间分布。该研究的局限性在于抗体组合尚未覆盖所有细胞类型，且样本量较小，未来通过扩大标志物组合和样本队列将能进一步揭示气道疾病的精细空间结构特征。