新生儿急性肺损伤的空间转录组图谱：发育与疾病严重程度的跨维度解析

这篇开创性研究通过空间转录组技术（Xenium平台）构建了迄今最大规模的新生儿肺发育与损伤单细胞图谱（120万细胞），创新性地采用胎龄（GA）和生存时长（Lifespan）作为客观分类框架，揭示了AT1/毛细血管空间互作随发育的动态变化，并鉴定出SOX9+未成熟AT2细胞等新型群体，为早产儿支气管肺发育不良（BPD）的分子机制研究提供了突破性资源。

　　

引言：解码肺发育的空间密码

肺器官发生的分子机制研究需要精确解析气体交换表面形成过程中的细胞转变时序与调控规律。尽管单细胞转录组技术已发现发育过程中存在转录特征各异的细胞群体，但这些转录变化的空间动态仍属未知。本研究利用基于成像的空间转录组技术，分析了17例不同发育阶段和损伤程度的人类婴儿肺样本，构建了约120万个细胞的空间转录组图谱，通过计算聚类方法识别群体共享的分子模式，揭示组织结构和分子空间关系在发育中的协调机制及疾病中的破坏模式。

方法学创新：从技术突破到分析框架

研究团队采用多项技术创新：

1. 1.

   样本策略：利用范德堡大学医学院人类婴儿肺库（Human Infant Lung Repository）的FFPE样本，构建包含17例样本（胎龄16-40周）的组织微阵列（TMA），其中包含4种罕见疾病样本如先天性高位气道阻塞综合征（CHAOS）和ARB致支气管肺发育不良（BPD）。

2. 2.

   技术平台：采用10X Genomics Xenium平台，整合343个基因（246个基础肺面板基因+97个定制基因）的探针组，通过滚环扩增技术实现亚细胞级分辨率。

3. 3.

   计算生物学：

   • •

     采用Seurat V5和GraphSAGE图神经网络（GNN）双重分析策略，分别定义11种细胞基础生态位（CNiche）和转录本生态位（TNiche）。

   • •

     创新性提出基于胎龄和生存时长的回归模型，替代传统"疾病vs对照"二分法，识别出25个与生存时长相关和18个与胎龄相关的基因表达变化。

核心发现：空间互作与发育时钟

1. 1.

   细胞图谱：

   • •

     鉴定40种细胞类型，包括13种上皮细胞（如SOX9⁺未成熟AT2细胞）、5种内皮细胞、6种间充质细胞和16种免疫细胞。

   • •

     发现未成熟AT2细胞特异性高表达SOX9，几乎仅存在于胎龄<21周的样本中，提示其作为早期肺泡前体细胞的身份。

2. 2.

   空间互作动力学：

   • •

     AT1细胞与毛细血管的空间接近性随发育显著增强：早期管状期（16-18周）呈排斥状态（logOR=-1.2），而肺泡期（36周后）转为富集（logOR=+0.8）。

   • •

     疾病样本中AT1-毛细血管互作缺失，提示空间关系可作为肺成熟度的新型生物标志物。

3. 3.

   生态位演化：

   • •

     TNiche 1（肺泡生态位）随胎龄增加而扩张，包含AT1、AT2和毛细血管；

   • •

     TNiche 11（气道上皮生态位）在早期管状期占主导（占比42%），到肺泡期降至7%。

临床转化：超越二元分类的新范式

研究提出三大创新性分析框架：

1. 1.

   胎龄-生存时长模型：发现多纤毛细胞中HIF1A表达与胎龄正相关（β=0.32，FDR<0.05），而动脉内皮细胞IL7R表达与生存时长负相关（β=-0.41，FDR<0.1）。

2. 2.

   病理评分系统：通过儿科肺病理专家盲评，建立0-3分的疾病严重度（DX）评分，发现COL3A1在肌成纤维细胞中的表达与DX评分显著相关（β=0.67，FDR<0.05）。

3. 3.

   交叉分析：鉴定出4个基因（如SFTPC、AGER）同时受胎龄和生存时长调控，提示发育与损伤的协同作用。

技术挑战与未来方向

研究也揭示了空间转录组的技术局限性：

1. 1.

   免疫细胞转录污染：发现免疫细胞中35%的差异表达基因实际来源于邻近间充质细胞的转录本渗漏，促使团队开发特异性过滤算法。

2. 2.

   基因面板限制：当前343基因面板虽涵盖已知标记物，但未来需整合单细胞ATAC-seq数据优化基因选择。

资源开放与学科影响

团队建立了开放访问的交互式数据库（https://lungcells.app.vumc.org），包含：

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  空间细胞定位可视化工具

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  差异表达基因查询模块

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  细胞互作网络分析平台

这项研究不仅为理解正常肺发育提供了空间分子蓝图，更开创了基于客观临床参数（而非主观疾病分类）的研究范式，为早产儿肺损伤的精准诊疗奠定基础。