《PLOS One》：Single-cell analysis of COPD: Microenvironmental interactions driven by immune-fibrotic imbalance
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慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）是一种具有高度细胞异质性和分子复杂性的呼吸系统疾病，其病理特征表现为持续性气流受限以及涉及多种细胞类型的炎症-组织重塑级联反应。传统转录组学缺乏足够的分辨
慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）是一种具有高度细胞异质性和分子复杂性的呼吸系统疾病，其病理特征表现为持续性气流受限以及涉及多种细胞类型的炎症-组织重塑级联反应。传统转录组学缺乏足够的分辨率来精确界定细胞亚群在COPD中的作用。单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）通过实现COPD中细胞类型特异性机制的高分辨率分析，克服了这一局限。研究人员整合了来自三个scRNA-seq数据集的共计101,009个细胞，在单细胞分辨率下描绘了COPD相关的分子特征和细胞相互作用。分析鉴定出4种主要细胞类型和17种不同的细胞亚型。细胞-细胞通讯分析显示，巨噬细胞和成纤维细胞的信号活动显著减少，而某些免疫细胞的信号增强，提示免疫失调在COPD发病机制中发挥关键作用。进一步分析聚焦于以巨噬细胞为主的髓系细胞和成纤维细胞，揭示了它们在炎症调控和纤维化进展中的关键作用。同时，该研究还鉴定出19种可能通过调节细胞基因表达而影响COPD进展的化学物质。该研究为阐明COPD的细胞-细胞相互作用网络以及揭示各细胞亚群在疾病过程中的作用机制提供了重要的分子基础。
慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种以持续性气流受限为特征的慢性呼吸系统疾病，其病理过程涵盖气道炎症、肺泡结构破坏（肺气肿）和肺纤维化，这些病变共同导致肺功能的持续恶化。尽管COPD具有复杂的多因素病因，长期吸烟和环境暴露被认为是主要危险因素。然而，不同细胞类型之间相互作用从而促成COPD发病的精确分子机制仍未完全阐明。
近年来，全基因组关联研究（GWAS）在COPD遗传学研究方面取得了重大突破，鉴定出HHIP、FAM13A、DSP、AGER、CHRNA3/5和TGFB2等多个关键位点。这些发现揭示了α1-抗胰蛋白酶缺乏之外的复杂调控机制。然而，GWAS存在若干局限：其鉴定出的疾病相关遗传位点大多位于非编码区或调控区，生物学功能难以直接界定；更重要的是，GWAS结果面临"细胞类型定位缺失"的困境，即难以确定特定遗传变异在特定肺细胞类型中的功能作用。单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的发展为COPD研究提供了方法论上的突破，其高分辨率特性能够有效弥补GWAS的局限，实现细胞异质性的表征和潜在分子机制的发现。
尽管scRNA-seq的进展显著加深了对COPD的理解，当前研究仍高度集中于上皮细胞，而关于髓系细胞与成纤维细胞之间相互作用的关键问题仍处于早期研究阶段。COPD患者与健康个体在单细胞分辨率下的系统比较仍然缺乏，相关细胞亚群的功能特征及其在病理条件下的动态重塑也需要进一步探索。此外，环境暴露和化学化合物对COPD相关基因表达的影响及其在疾病进展中的潜在作用，仍是重要但尚未充分探索的研究领域。
基于scRNA-seq在解析细胞异质性方面的独特优势，研究人员整合了多个公开可用的scRNA-seq数据集，包括来自基因表达综合数据库（GEO）的GSE173896（5例COPD和5例健康对照）、GSE279570（11例COPD和7例健康对照）和GSE167295（3例COPD）三个数据集。经过质量控制后，共纳入19例COPD患者的45,721个细胞和12例健康对照的55,288个细胞。研究采用聚类分析、功能注释和拟时序轨迹分析，在单细胞分辨率下系统探索COPD和健康对照的分子特征及细胞间相互作用，并进一步分析关键髓系细胞群（尤其是巨噬细胞）和成纤维细胞的功能变化及相互作用机制。通过结合化学-基因相互作用分析，鉴定出可能调节COPD相关基因表达的候选化合物。
研究结果部分的主要发现包括：
scRNA-seq数据集分析：通过整合三个scRNA-seq数据集并应用Harmony算法校正批次效应后，从101,009个细胞中鉴定出4种主要细胞类型和17种细胞亚型，包括免疫细胞（B细胞、CD4+T细胞、CD8+T细胞、树突状细胞、巨噬细胞、肥大细胞、单核细胞、NK细胞、浆细胞、干细胞）、上皮细胞（ATO、AT1、AT2、纤毛细胞）、内皮细胞和基质细胞（成纤维细胞、平滑肌细胞）。COPD组中免疫细胞构成总细胞群的主要比例，与该疾病特征性的慢性炎症状态相符。
细胞通讯分析：通过CellChat分析发现，COPD组中巨噬细胞、成纤维细胞、AT1和平滑肌细胞的信号发射和接收强度低于健康对照组，表明这些细胞类型的功能在COPD病理条件下可能受到抑制。进一步研究发现，涉及巨噬细胞和成纤维细胞相互作用的COLLAGEN和FN1信号通路发生改变，这两条通路与细胞外基质组织、细胞-基质相互作用和组织重塑密切相关。COPD组的细胞通讯网络整体呈现衰减和再分布模式，反映了COPD状态下可能的免疫-纤维化失衡。
髓系细胞分析：通过亚聚类分析鉴定出10个功能特化的髓系细胞亚群，包括2个单核细胞亚群（经典单核细胞和非经典单核细胞）、4个树突状细胞亚群（cDC1、cDC2、迁移性DC和浆细胞样DC）和4个巨噬细胞亚群（肺泡巨噬细胞、肺泡巨噬细胞CCL3+、肺泡巨噬细胞MT阳性和血管周围间质巨噬细胞）。拟时序分析显示肺泡巨噬细胞和非经典单核细胞具有最高的转录组多样性。差异表达分析显示，COPD肺泡巨噬细胞中43个差异表达基因（17个上调/26个下调），上调基因富集于髓系分化改变、蛋白质折叠和炎症或热应激反应等生物学过程，下调基因主要富集于能量代谢相关过程。COPD非经典单核细胞中46个差异表达基因（15个上调/31个下调），上调基因富集于蛋白质稳态和热应激反应，下调基因富集于免疫细胞迁移和趋化因子应答相关过程。GSVA分析显示肺泡巨噬细胞富集于脂肪生成、脂肪酸代谢和蛋白质分泌通路，非经典单核细胞富集于IL6_JAK_STAT3信号和炎症反应通路。
成纤维细胞分析：通过亚聚类分析鉴定出4个功能特化的成纤维细胞亚群：ACTA2+、PLA2G2A+、TCF21+和其他。拟时序分析显示TCF21+和ACTA2+亚群具有最广泛的转录组多样性。差异表达分析显示，COPD TCF21+细胞中70个差异表达基因（41个上调/29个下调），上调基因富集于细胞外基质组织、免疫激活、凋亡相关调控和细胞应激反应，下调基因富集于上皮迁移、组织迁移、形态发生、呼吸气体交换和氧化应激反应。COPD ACTA2+细胞中110个差异表达基因（66个上调/44个下调），上调基因主要富集于ECM组织、胶原相关重塑、发育分化和细胞-基质黏附，且COL1A1和COL3A1等胶原相关基因表达增加；下调基因富集于凋亡调控、成纤维细胞生长因子应答、间充质细胞增殖和肌肉系统调控。GSVA分析显示TCF21+细胞富集于KRAS_SIGNALING_DN和NOTCH_SIGNALING通路，ACTA2+细胞显著富集于上皮-间质转化（EMT）、G2M检查点、有丝分裂纺锤体和肌生成通路。
化学-基因相互作用分析：基于比较毒理基因组学数据库（CTD），针对四种关键细胞亚群（肺泡巨噬细胞、非经典单核细胞、TCF21+细胞和ACTA2+细胞）中上调和下调最显著的前10个差异表达基因，鉴定出62种显著促进上调基因表达的化学化合物和37种特异性抑制下调基因表达的化合物。其中19种化合物具有双向调控效应，包括对乙酰氨基酚、苯并(a)芘、双酚A、氯化镉、雌二醇、甲基氯化汞、二氧化硅、亚砷酸钠、曲古抑菌素A、丙戊酸、鱼藤酮、四氯二苯并二噁英、烟草烟雾污染、7,8-二氢-7,8-二羟基苯并(a)芘9,10-氧化物、过氧化氢、颗粒物、多柔比星、甲醛和伏立诺他。
在讨论部分，研究人员指出，与健康对照相比，COPD患者免疫细胞群比例发生改变，提示COPD与炎症免疫微环境重塑相关。肺泡巨噬细胞和非经典单核细胞在COPD中表现出分歧的转录特征：前者富集蛋白质折叠、蛋白质稳态相关过程和TNF相关炎症应激反应，后者则表现出趋化性和迁移相关转录特征的减少。成纤维细胞异质性分析表明，TCF21+成纤维细胞可能与凋亡相关调控、补体激活和免疫应答相关转录特征有关，而ACTA2+成纤维细胞则富集ECM组织、胶原纤维组织和胶原代谢过程，呈现基质重塑相关转录谱。化学-基因相互作用分析鉴定出的19种双向调控化学物质中，14种已被证实参与COPD发病机制，包括烟草烟雾污染、雌二醇、颗粒物、双酚A和亚砷酸钠等；其余5种物质在COPD中的作用尚不明确，有待未来研究探索。
研究结论指出，该研究在单细胞水平上系统阐明了COPD患者的分子特征和细胞间相互作用网络，明确了髓系细胞和成纤维细胞亚型在疾病进展中的协同作用。这些发现可能为未来COPD亚型特征研究提供候选转录组特征，并为探索环境暴露相关机制和化学-基因关联提供假设。尽管研究存在缺乏临床样本信息等局限性，但未来结合纵向临床队列研究和功能实验将进一步验证这些发现，并推动将这些分子机制转化为临床适用的干预策略，改善COPD的治疗前景。
