Nature | 全肠道细胞图谱如何重塑我们对炎症性肠病的理解？

生物探索

2024-11-22 16:35发布于江苏科学领域创作者

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划重点

01Nature研究报道了全肠道细胞图谱，旨在揭示炎症性肠病中的化生现象。

02通过整合25个单细胞RNA测序数据集，研究人员建立了涵盖从胚胎发育到成年的全肠道细胞图谱。

03研究发现，在炎症性肠病患者中，化生上皮细胞表现出促炎基因的高表达水平，与炎症细胞的招募密切相关。

04此外，研究人员还发现了一类新型的炎症上皮细胞，称之为INFLAREs，可能在慢性炎症性疾病中既是修复者也是破坏者。

05该研究为理解炎症性肠病的病理机制提供了新的思路，并为未来的治疗策略研究奠定了基础。

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引言

胃肠道在人体中扮演着至关重要的角色，它不仅是营养吸收的主要场所，更是免疫防御的重要前沿。然而，随着现代社会生活方式的变化，克罗恩病、溃疡性结肠炎等炎症性肠病的发病率持续上升，给患者带来了巨大的痛苦和不便。这些疾病不仅影响到人们的日常生活质量，还与结直肠癌的发病存在潜在联系。因此，深入理解胃肠道在健康和疾病状态下的细胞构成，尤其是炎症如何引发细胞变化和组织功能的改变，成为当今生物医学研究中的重要课题。11月20日 Nature的研究报道“Single-cell integration reveals metaplasia in inflammatory gut diseases”，通过对数百万个单细胞的精细分析，致力于绘制出全肠道的细胞图谱，以揭示其中的奥秘。这项研究不仅是对基础科学的探索，更可能为未来的疾病诊断和治疗带来革命性的进步。通过全胃肠道细胞图谱的建立，首次能够详细观察到细胞在炎症环境下的适应性变化，尤其是“化生”（metaplasia）这一现象如何影响疾病的进展。这些发现将为揭示胃肠道炎症性疾病的复杂机制及开发新的治疗方法提供坚实的基础。

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随着基因组学的不断进步，以及胃肠道疾病（如克罗恩病和溃疡性结肠炎）的患者人数不断上升，研究人员正在致力于全面了解胃肠道各组织在健康和疾病状态下的细胞构成。该研究通过整合25个单细胞RNA测序数据集，建立了一个涵盖从胚胎发育到成年的全肠道细胞图谱，为理解炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）中的化生现象提供了新的见解。
胃肠道是一个复杂的多器官系统，不仅负责吸收营养，还充当人体与外界的免疫屏障。炎症性肠病（如克罗恩病和溃疡性结肠炎）目前影响全球超过700万人，同时每年约有200万新病例被诊断为结直肠癌（colorectal cancer, CRC）。这种疾病的高发性和复杂性使得对胃肠道细胞组成的系统性研究变得极为重要。
为了创建全面的胃肠道细胞图谱，研究人员对来自189名健康对照者的385份样本进行了单细胞RNA测序分析，总共获得了约110万个细胞的表达数据。这些数据经过了严格的质量控制流程（scAutoQC），最终建立了一个由136种细胞状态组成的健康参考图谱。该质量控制流程包括过滤掉低质量细胞和重复细胞，确保数据的可靠性和准确性。整个健康参考图谱涵盖了口腔黏膜、食管、胃、小肠、大肠等多个部位的细胞。
为了进一步增强研究的说服力，研究人员通过对不同细胞类型进行了统计分析，以确保结果的可靠性。例如，在单细胞RNA测序数据中，每种细胞类型的代表性都经过了严格验证，并确保在数据整合和质量控制过程中不会丢失或偏差。此外，研究人员还利用单细胞变分推断（scVI）模型来精确分析数据，发现这种方法比其他整合方法更具优势，从而为整个数据集的可靠整合提供了基础。
随后，研究团队将12个涉及胃肠道癌症、乳糜泻、溃疡性结肠炎和克罗恩病的疾病数据集与健康参考数据进行了锚定整合，得到了一个涵盖160万个细胞的资源。这些数据集包括来自271名供体的样本，进一步丰富了全肠道细胞图谱的内容。疾病数据的整合为探索疾病状态下的细胞行为提供了直接证据，特别是在特定疾病中细胞组成的动态变化。

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全胃肠道细胞整合的概况（Credit: Nature）

概要：图a显示了全胃肠道细胞图谱的示意图，将健康参考作为核心，同时利用迁移学习（transfer learning）映射疾病数据集。利用健康的细胞数据作为基准，进一步整合来自不同疾病状态的数据，旨在建立一个全面的胃肠道细胞整合图谱。
质量控制流程：图b介绍了自动化的质量控制方法（scAutoQC），用于筛除低质量的细胞。该方法是一种无监督的质量控制技术，用于确保数据的准确性和可靠性。通过UMAP等方法进行数据降维和聚类，以便更好地理解细胞之间的差异和关系。
细胞和供体概览：图c显示了每个研究中的细胞和供体数量，并按照胃肠道区域和年龄进行了分类。图中的点大小表示供体的数量，颜色则表示细胞数量。这部分的信息表明了不同区域和年龄段的细胞数据的覆盖情况，以及健康和疾病状态下的数据分布情况。

化生现象的发现与意义

在这一图谱中，研究人员发现了在炎症性肠病患者中由干细胞衍生的上皮细胞化生现象。所谓化生（metaplasia），是指成熟组织被其他解剖区域的细胞替代的过程。这种现象在胃中的幽门腺和布鲁纳腺（Brunner's glands）细胞中表现尤为明显。研究人员通过对约50万个疾病细胞的分析，发现幽门腺化生细胞在炎症性肠病患者中具有与健康组织中的上皮细胞不同的转录特征，这些细胞表现出对免疫细胞（如T细胞和中性粒细胞）的强烈招募作用。
此前，幽门腺化生被认为与黏膜愈合有关，但该研究的结果表明，这些化生细胞不仅参与愈合过程，还在慢性炎症中起到了推动作用。通过对疾病状态下不同细胞类型的基因表达变化进行系统性分析，研究人员观察到幽门腺化生细胞在疾病状态下表现出促炎基因（例如CXCL1、CXCL2和CXCL8）的高表达水平，这些基因与炎症细胞的招募密切相关。此外，研究结果显示，幽门腺化生细胞能够与中性粒细胞和T细胞之间形成复杂的细胞间信号网络，这进一步支持了这些细胞在炎症反应中的核心作用。
这种化生现象不仅限于胃，而是具有更广泛的系统性影响。在IBD患者中，化生上皮细胞显示出一种“适应性重编程”的特性，能够通过信号通路的重新配置来应对炎症环境。这些细胞通过上调抗原呈递相关基因（如MHC-II类分子）和趋化因子，促进免疫细胞的募集和激活，从而在慢性炎症中起到了桥梁作用。这一发现为进一步探讨IBD的慢性化过程及其与癌症发生的关系提供了新的视角。

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炎症性肠病（IBD）中的化生细胞谱系（Credit: Nature）

UMAP显示细胞分布（图a）：使用UMAP展示了健康和疾病状态下的细胞图谱。图中细胞按照疾病类别进行着色，以显示不同疾病对细胞类型的影响。虚线框标示了广义的细胞谱系，并在括号中指出了具体的细胞数量。
疾病扩展数据点图（图b）：通过点图展示了各个研究中疾病状态下的细胞和供体数量。点的颜色代表细胞数量，而点的大小则表示供体的数量，红色标记表示来自未发表的研究数据集。
健康和疾病样本中的间充质细胞（图c）：UMAP和标志基因点图展示了健康和疾病（成人和儿童）组织中的间充质细胞。特别是，图中以虚线框标出了“口腔黏膜成纤维细胞”的位置，说明这些细胞在不同条件下的表达特征。
成纤维细胞比例柱状图（图d）：柱状图显示了健康和疾病状态下，胃肠道不同区域中口腔黏膜成纤维细胞或炎症成纤维细胞的比例，揭示了疾病状态对这些细胞类型丰度的影响。
炎症反应基因评分（图e）：图中使用小提琴图展示了不同疾病状态下，口腔黏膜成纤维细胞或炎症成纤维细胞的MSigDB炎症反应基因评分。该基因集富集分析比较了健康和疾病样本中口腔黏膜成纤维细胞的差异表达情况。
大肠上皮细胞及化生潘氏细胞（图f）：UMAP图和标志基因点图展示了来自成人和儿童健康及疾病样本中的大肠上皮细胞，重点突出显示了化生的细胞。柱状图展示了在健康和疾病状态下结肠细胞与潘氏细胞的比例差异，表明化生细胞在炎症性环境中的重要作用。

全肠道数据的整合与分析

为了全面了解不同生命周期阶段和胃肠道区域中的细胞类型，研究团队整合了来自23个已发表数据集和2个未发表数据集的健康细胞数据，涵盖了从口腔粘膜、食道、胃、小肠、大肠到肠系膜淋巴结的多个组织。通过将这些数据重新映射并采用单细胞变分推断（scVI）进行整合，研究人员成功将所有细胞注释为七大类谱系，并进一步细分为136种细胞类型。
在这些细胞中，研究团队重点分析了上皮细胞和间充质细胞在不同年龄和区域的分布情况。结果显示，在胚胎和儿童阶段的胃、十二指肠、回肠和结肠中，神经和间充质谱系的细胞表现出显著的富集，尤其是在发育中的小肠和大肠中，髓样细胞（包括巨噬细胞和LYVE1+巨噬细胞）的数量明显增加。与成人相比，胚胎阶段的胃肠道组织中富含髓样细胞和间充质细胞，这表明这些细胞在发育过程中可能发挥重要作用。研究人员通过分析这些细胞的基因表达特征，发现这些髓样细胞和间充质细胞在发育过程中表现出特定的标志基因（如LYVE1和CD68），这些基因在维持组织结构和支持免疫屏障功能中扮演了重要角色。
进一步的分析表明，间充质细胞在不同发育阶段的功能差异显著。胚胎期的间充质细胞主要参与组织重塑和基质的形成，而在成人阶段，这些细胞更多地参与组织的稳态维持和修复。此外，髓样细胞在不同组织中的分布差异也为理解其在免疫反应中的角色提供了重要线索。髓样细胞，尤其是巨噬细胞，在发育阶段具有较高的可塑性，能够根据微环境的变化进行功能转变，从而在胃肠道的发育和疾病防御中起到关键作用。


IBD中的疾病相关细胞动态

为了进一步了解疾病状态下的细胞变化，研究人员将来自溃疡性结肠炎、克罗恩病、儿童IBD、乳糜泻、结直肠癌和胃癌患者的数据投射到健康参考图谱中。结果显示，约50万个疾病细胞被成功添加到全肠道细胞图谱中，总计覆盖了271名供体的160万个细胞。
在IBD的研究中，研究人员通过无监督共识非负矩阵分解（cNMF）和差异基因表达分析，揭示了疾病特异性的基因表达程序及细胞丰度变化。例如，在克罗恩病和溃疡性结肠炎患者中，炎症性成纤维细胞的丰度显著增加。这些成纤维细胞表现出与健康口腔黏膜成纤维细胞相似的转录特征，但其促炎基因（如CXCL1、CXCL5等）的表达显著上调，表明这些细胞在炎症和伤口愈合中的关键作用。
研究人员还通过差异基因表达分析发现，IBD患者的成纤维细胞中IL6、TNF和IFNγ等炎症因子的表达水平显著升高，这些炎症因子被广泛认为在IBD的慢性炎症进程中起到了至关重要的作用。此外，研究还发现，在IBD患者中，口腔粘膜成纤维细胞在回肠中的富集度显著增加，进一步表明这些细胞在炎症性肠病中的重要性。
特别值得注意的是，成纤维细胞在疾病状态下表现出显著的异质性。在IBD患者中，某些成纤维细胞亚群表现出高水平的趋化因子和细胞因子表达，这些分子可以吸引免疫细胞到达炎症部位，从而加剧局部的炎症反应。这些细胞通过与上皮细胞和免疫细胞的相互作用，形成了一个复杂的细胞间网络，使得炎症反应得以维持和扩大。这一网络的建立和维持可能是IBD难以治愈的一个重要原因。


INFLAREs：炎症上皮细胞的发现

通过对IBD和乳糜泻患者的化生上皮细胞进行深入分析，研究人员发现了一类新型的炎症上皮细胞，称之为INFLAREs。这些细胞在患者的回肠和结肠中表现出幽门腺化生的特征，并在基因表达上与健康的幽门腺细胞存在显著差异。INFLAREs的主要特点是其在慢性炎症环境中维持了干细胞的特性，具有高度的增殖能力，并表达了一系列与免疫细胞相互作用的因子。
为了进一步验证INFLAREs的功能，研究人员通过免疫组织化学和单分子原位杂交技术（smFISH）在IBD和乳糜泻患者的肠道组织样本中检测这些细胞的标志基因（如MUC6、AQP5和BPIFB1）。结果表明，INFLAREs定位于化生腺体的隐窝底部，并与周围的免疫细胞密切关联，尤其是CD4+ T细胞和中性粒细胞。此外，INFLAREs中CXCL2、CXCL5和CXCL16的高表达，能够有效招募中性粒细胞和T细胞，从而在慢性炎症中起到推波助澜的作用。
更为重要的是，INFLAREs在IBD患者中显示出对肠道屏障功能的双重影响。一方面，它们通过分泌抗菌肽（如PLA2G2A）和黏液来加强屏障功能，可能在一定程度上有助于黏膜的愈合和再生；另一方面，这些细胞通过上调促炎基因表达，积极参与炎症反应，尤其是通过分泌CXCL系列趋化因子来吸引免疫细胞的持续浸润。这种双重作用表明INFLAREs在慢性炎症性疾病中既是修复者也是破坏者，扮演着复杂的角色。


INFLAREs的起源

为了探讨INFLAREs的起源，研究团队进行了小肠上皮细胞的轨迹分析，结果表明，INFLAREs源自表达LGR5的干细胞，并在炎症状态下表现出干细胞基因的持续表达（如LGR5和OLFM4）。这种干细胞状态的保持使得INFLAREs在疾病环境中展现出高度的可塑性。
研究还发现，INFLAREs具有类似干细胞的多能性，这使得它们能够根据环境的需求在不同的功能状态之间进行切换。这种可塑性使得INFLAREs在慢性炎症中既可以促进组织修复，又可以通过其促炎特性加剧组织损伤。这些细胞的多功能性和双重作用使其成为研究慢性炎症性肠病的新焦点，并为未来的治疗策略开发提供了潜在靶点。



该研究通过建立全肠道细胞图谱，揭示了炎症性肠病中的化生现象及其在疾病进展中的作用。INFLAREs作为一种新型的炎症上皮细胞，不仅在黏膜愈合中发挥作用，还可能通过与免疫细胞的相互作用，推动慢性炎症和组织损伤的进一步恶化。这一发现为理解IBD等慢性炎症性疾病的病理机制提供了新的思路，并为未来的治疗策略研究奠定了基础。
研究中的全肠道细胞图谱数据集现已公开，可通过Gut Cell Atlas网站获取。这些数据资源为进一步的基础研究和临床应用提供了重要参考，将有助于揭示不同疾病状态下胃肠道细胞的变化，推动对复杂胃肠道疾病机制的深入理解。
此外，这些发现强调了在炎症性肠病治疗中精确调控特定细胞亚群的重要性。未来的研究方向可能包括探索如何通过调节INFLAREs的功能来实现更有效的疾病管理，特别是如何在保留其组织修复潜力的同时，抑制其促炎特性。这一领域的进展将有助于开发更具针对性的治疗方案，从而改善患者的预后和生活质量。



参考文献


Oliver, A.J., Huang, N., Bartolome-Casado, R. et al. Single-cell integration reveals metaplasia in inflammatory gut diseases. Nature 635, 699–707 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07571-1



责编|探索君
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