文献解读：基于成像质谱流式细胞术的系统性硬化症中成纤维细胞亚群及其细胞生态位的特征分析

系统性硬化症（SSc）是一种纤维结缔组织疾病，它是一种有较高致死率的固有免疫疾病，会导致组织和器官的纤维化。其中成纤维细胞是纤维化组织重塑的关键效应细胞。然而我们对正常和病理状态下成纤维细胞的表型、微环境、细胞间交互等的理解仍处于初级阶段。单细胞组学虽然能够识别不同的亚群，并展示其特定的功能，但其无法展示细胞在组织中的相对位置和细胞间的交互。

来自德国等的Aleix Rius Rigau等人，通过成像质谱流式细胞术（IMC），在The BMJ发表文章Imaging mass cytometry-based characterisation of fibroblast subsets and their cellular niches in systemic sclerosis。该研究利用IMC技术识别、量化在SSc患者皮肤中的成纤维细胞亚群，分析他们的空间分布和细胞局部邻域（CNs）并评估临床参数和以上结果的相关性。

研究者通过IMC技术识别SSc和健康对照的皮肤中的成纤维细胞并对其进行聚类分析，通过降维算法Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP)可视化展示了其中13种不同的亚群：高表达Thy1和PU.1的亚群被称为Thy1⁺; ADAM12^high; PU.1^high成纤维细胞。高表达Thy1和低表达ADAM12的亚群被称为Thy1⁺; ADAM12^low 成纤维细胞。共同表达ADAM12和GLI1的亚群被称为ADAM12⁺; GLI1⁺成纤维细胞。高表达S1PR的亚群被称为S1PR⁺成纤维细胞。显著表达αSMA的亚群被称为肌成纤维细胞。表达PI16但在FAP和TFAM的表达水平上有所不同的亚群分别被称为PI16⁺; FAP^–成纤维细胞、PI16⁺; FAP⁺ 成纤维细胞、PI16⁺; FAP⁺; TFAM^low成纤维细胞。高表达PDGFRα和TFAM的亚群被称为TFAM^high成纤维细胞。高表达Cdh11+的亚群被称为Cdh11⁺成纤维细胞。高表达ADRP+的亚群被称为ADRP⁺ 成纤维细胞。PDGFRα和FSP1呈阳性但缺乏激活标志物的亚群被称为静息成纤维细胞（图 1B, C）。其中，部分亚群以表达促纤维化转录因子和特定的成纤维细胞为特征。这些亚群没有显著的表型变异（图 2）。

图 1

图 2

    在SSc中的成纤维细胞总数较健康对照未发生明显变化，但13个亚群中的8个亚群在比例上发生了统计学上的显著变化（图 3，图 5）。其中5个亚群的比例上调：肌成纤维细胞、FAP^high成纤维细胞、S1PR⁺成纤维细胞、Thy1⁺; ADAM12^high; PU.1^high成纤维细胞、ADAM12⁺; GLI1⁺成纤维细胞（图 4）。这些细胞主要通过PU.1和GLI1等促纤维化转录因子的上调实现促纤维化。其中，S1PR⁺成纤维细胞和肌成纤维细胞表现出增加的裂解型半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3和无明显变化的Ki-67表达（图 6B）；而FAP^high成纤维细胞则表达出较低的Ki-67，这表明这些亚群的比例增加并不是来自增殖，而可能来自前体细胞的分化。3个亚群的比例下调：TFAM^high成纤维细胞、PI16⁺; FAP⁺成纤维细胞、Thy1⁺; ADAM12^low成纤维细胞（图 7）。说明这三种亚型可能具有维持稳态甚至抗纤维化效应。其中，PI16⁺; FAP⁺成纤维细胞和 TFAM^high成纤维细胞表现出增加的裂解型半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3，这表明增强的凋亡水平可能导致这些细胞亚群的比例在SSc皮肤中的减少，而这可能是通过线粒体功能改变实现（图 6A）。

图 3

图 4

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图 6

图 7

和正常对照相比，SSc患者真皮内的一些成纤维细胞亚群分布具有倾向性（图 8A和B，图 9）。和正常对照相比，PI16⁺;FAP^–成纤维细胞在健康对照和SSc之间的频率没有发生明显变化，但其在SSc的真皮上层的比例有所降低；相反，ADRP⁺成纤维细胞在SSc的真皮上层的比例有所升高。

图 8

图 9

通过对邻域细胞的聚类在SSc患者的皮肤中产生了9个细胞邻域（CNs）（图 10A）。发现特定的成纤维细胞群体倾向于在皮肤中聚集:静息成纤维细胞、TFAM^high成纤维细胞和Thy1⁺; ADAM12^low 成纤维细胞形成了静息CN; S1PR⁺成纤维细胞形成了它们自己的CN,类似于小的S1PR⁺成纤维细胞焦点。此外，与健康对照相比，SSc皮肤的基底膜下和血管区域的成纤维细胞的CNs的组成产生变化（图 10，图 11），进一步表明成纤维细胞可能在具体的CN表现出不同的功能表型。通过评估SSc患者和对照组皮肤中成纤维细胞的细胞相互作用，在SSc中，基底膜与TFAM^high和 ADAM12^+; GLI1⁺成纤维细胞、上皮与ADAM12⁺; GLI1⁺成纤维细胞间的特异性相互作用（图 11A和C）。这些相互作用被认为促成了SSZc中成纤维细胞的病例表型。此外细胞之间的相互作用的分析揭示了正常对照中未检测到而仅在SSc皮肤中存在的独特的细胞间相互作用（图 10C）：如ADAM12⁺; GLI1⁺和 S1PR⁺成纤维细胞相互作用伙伴的改变等，且这些SSc特异性相互作用的细胞比例升高（图 10D）。

图 10

图 11

图 12

通过关注修改后的Rodnan皮肤评分（mRSS）和成纤维细胞亚群比例的关系，得出：在SSc皮肤中S1PR⁺成纤维细胞的比例与mRSS呈正相关（图 13A）。通过关注mRSS和成纤维细胞亚群分布变化的关系，得出：皮肤纤维化进展的SSc患者真皮上层的S1PR⁺成纤维细胞比例更高，而后者是衡量皮肤纤维化程度的标准临床指标，并且与皮肤纤维化进展的风险有关（图 14）；PI16⁺;FAP⁻成纤维细胞的比例和在真皮上层中的富集、真皮上层ADRP+成纤维细胞的富集和mRSS呈负相关。这些数据共同表明，S1PR⁺成纤维细胞的积累与更严重的皮肤纤维化风险相关。通过关注mRSS和SSc特有的细胞交互的关系，得出：mRSS与ADAM12⁺;GLI1⁺成纤维细胞和S1PR⁺成纤维细胞交互之间存在更强的相关性（图6），且相较于其他细胞交互具有最高的Spearman等级相关系数。将IMC数据和近期发布的空间转录组数据集整合，也反映出ADAM12⁺;GLI1⁺ 成纤维细胞和S1PR⁺成纤维细胞富集区域有更活跃的组织重塑（图 15）。

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图 15

该研究对SSc中的成纤维细胞的亚群进行了识别，并增进了对不同亚群的特征和功能的了解，识别了不同亚群在SSc的皮肤中分布的空间特点，及其细胞交互对疾病的发生发展产生的影响，说明了亚群的数量和定位可能为疾病的分层提供潜在价值。强调了SSc中增加的促纤维化的亚群在疾病中的作用机制。

撰文：张悦康

审核：周伏圣

参考文献：Rigau, A. R., Liang, M., Devakumar, V., Neelagar, R., Matei, A., Györfi, A., Bergmann, C., Filla, T., Fedorchenko, V., Schett, G., Distler, J. H. W., & Li, Y. (2024). Imaging mass cytometry-based characterisation of fibroblast subsets and their cellular niches in systemic sclerosis. Annals of the Rheumatic Diseases, ard-226336. https://doi.org/10.1136/ard-2024-226336