跨组织人类成纤维细胞图谱揭示不同亚型肌成纤维细胞在免疫调控中的独特作用

研究背景与动机

成纤维细胞在维持组织稳态、炎症反应、纤维化以及癌症进展中扮演着关键角色。近年来，成纤维细胞在肿瘤微环境（TME）中的多样性引起了学术界的广泛关注。研究显示，成纤维细胞通过调控细胞外基质（ECM）、与癌细胞及免疫细胞的信号传导等方式在癌症中发挥复杂功能。然而，成纤维细胞的异质性与可塑性也使得它们成为治疗中难以操控的对象。因此，明确疾病相关成纤维细胞的状态、免疫细胞互作及其对临床结果的影响，将为优化癌症治疗策略提供新的思路。

为此，Gao等学者通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术系统性分析了跨组织及疾病状态下的成纤维细胞异质性。研究的核心目标是构建跨组织的成纤维细胞图谱，揭示成纤维细胞亚型的分布特点、功能属性及其在不同病理状态中的动态变化。

研究来源

本文由Yang Gao、Jianan Li和Wenfeng Cheng等多位研究人员完成，研究团队来自北京大学、深圳湾实验室、中国医学科学院等多个知名研究机构。论文发表在2024年10月14日的《Cancer Cell》期刊上，进一步扩展了癌症成纤维细胞的功能解析，为癌症治疗提供了新的靶点。

研究流程

研究的整个流程分为多个步骤，涵盖数据整合、成纤维细胞亚型鉴定、功能解析和临床相关性分析。

数据收集与处理

研究团队整合了来自517个人类样本的scRNA-seq数据，样本包括11种组织及多种病理状态（如慢性炎症、纤维化、癌前病变及癌症），总计包含269,899个成纤维细胞的转录组数据。为确保数据质量，团队对每个数据集进行了严格的质量控制，移除了非成纤维细胞，最终得到了一个完整的跨组织成纤维细胞图谱。

成纤维细胞亚型的鉴定

通过批次平衡的k近邻聚类算法（Batch Balanced K Nearest Neighbors, BBKNN），研究共识别出20种转录学上不同的成纤维细胞亚型。团队通过整合分析，将这些成纤维细胞亚型归纳为不同的功能组，包括组织特异性成纤维细胞、肌成纤维细胞及原代成纤维细胞等。

各成纤维细胞亚型的功能特征解析

通过基因调控网络分析（Regulatory Network Analysis）和转录因子活性分析，研究发现各成纤维细胞亚型拥有独特的基因表达模式和信号通路激活特征。例如，LRRC15+肌成纤维细胞表现出免疫抑制特征，MMP1+成纤维细胞则可能与肿瘤微环境中的免疫逃逸有关。基于这些特征，研究进一步将各成纤维细胞亚型与疾病状态下的免疫细胞分布情况进行关联，揭示了特定亚型在肿瘤和炎症中的不同作用。

主要研究结果

成纤维细胞在病理状态中的重新编程

在不同病理状态下，成纤维细胞亚型的组成发生了显著变化。研究发现，慢性炎症与癌症均促进了免疫调控成纤维细胞的扩展，同时肌成纤维细胞在癌症中表现出组织重塑功能。在肿瘤微环境中，不同肌成纤维细胞亚型具有独特的功能属性，例如LRRC15+成纤维细胞在癌症组织中表现出免疫排斥性，而PI16+成纤维细胞则在相邻非癌组织中展示出潜在的抗肿瘤作用。

成纤维细胞亚型对肿瘤免疫微环境的影响

在肿瘤患者中，研究识别出多个与成纤维细胞共现的细胞模块。例如，PI16+成纤维细胞主要与CD8+ T细胞和CD14+巨噬细胞共存，形成了一个抗肿瘤免疫环境。而LRRC15+肌成纤维细胞则与Spp1+巨噬细胞共存，构成了免疫排斥性的细胞模块，这一模块在肿瘤样本中表现出较低的T细胞浸润。

肌成纤维细胞的异质性

在肌成纤维细胞类别中，研究识别出四个主要的亚型：LRRC15+、MMP1+、HOPX+和SFRP2+。其中，LRRC15+成纤维细胞具有肿瘤促进潜力，与免疫排斥性肿瘤微环境密切相关。MMP1+成纤维细胞表现出促免疫抑制特征，通过与Tregs和LAMP3+树突状细胞的相互作用，形成了一个免疫抑制性细胞模块。

成纤维细胞与免疫细胞的相互作用

通过细胞共现分析，研究揭示了成纤维细胞与不同免疫细胞之间的复杂互作机制。例如，MMP1+成纤维细胞通过CCL2-CCR4、CXCL16-CXCR6等配体-受体对与Tregs相互作用，促进了免疫抑制性微环境的形成。LRRC15+成纤维细胞则通过与Spp1+巨噬细胞的相互作用，影响肿瘤微环境中的免疫排斥特性。

研究结论与意义

本研究通过跨组织和病理状态的人类成纤维细胞图谱，深入揭示了成纤维细胞的异质性及其在肿瘤微环境中的功能特征。研究结果表明，不同亚型的成纤维细胞对肿瘤微环境的塑造有着显著影响，其免疫调控作用可以随着病理状态的变化发生重编程。这些发现不仅为理解成纤维细胞在癌症进展中的角色提供了新视角，还为未来针对成纤维细胞的癌症治疗提供了潜在的靶点和策略。

研究亮点

1. 跨组织图谱构建：本研究整合了来自多个组织及病理状态的单细胞数据，揭示了成纤维细胞的异质性，提供了成纤维细胞在健康与病态组织中的分布特征。
2. 成纤维细胞亚型的功能解析：鉴定了特定成纤维细胞亚型在癌症和炎症中的不同作用，包括免疫抑制、免疫排斥及抗肿瘤功能等。
3. 成纤维细胞与免疫细胞的互作网络：识别了成纤维细胞亚型与特定免疫细胞之间的配体-受体相互作用，为进一步理解成纤维细胞在肿瘤微环境中的作用机制提供了重要依据。
4. 临床预后相关性：研究表明，不同成纤维细胞亚型的组成可以显著影响患者的临床预后，为癌症患者的精准分层和个体化治疗提供了参考。

研究的局限性

尽管本研究构建了一个详尽的人类成纤维细胞图谱，但仍然存在一些局限性。首先，缺乏详细的临床数据限制了进一步探讨成纤维细胞表型的临床相关性。其次，本研究主要关注成纤维细胞与免疫细胞的互作，未来研究需深入探讨成纤维细胞与肿瘤细胞的相互作用。此外，未来有必要采用三维培养技术和体内实验进一步验证成纤维细胞亚型的功能特性。

结论

本研究通过构建一个跨组织的成纤维细胞图谱，揭示了成纤维细胞在健康与病理状态下的转录异质性及其与免