牙周炎中与牙齿相关的角质形成细胞的单细胞和空间解析互作组学研究
单细胞和空间分辨牙相关角质细胞互作组学研究：探究牙周炎中结构免疫的角色
背景介绍
牙周炎是一种广泛影响全球数十亿人的慢性炎症性疾病，主要表现为牙周组织病变，最终可能导致牙齿脱落。其主要病因是牙周生物膜的多菌群失调（polybacterial dysbiosis），此外也与一些全身性疾病如心血管疾病、2型糖尿病、阿尔茨海默病和炎症性肠病等息息相关。然而，目前针对牙周炎的个性化精准治疗仍面临诸多挑战，其主要原因之一是我们对牙周组织中细胞亚群及其在健康与疾病状态下的功能还缺乏深入理解。特别是，尽管牙齿相关上皮角质细胞的异质性已被报道数十年，但对其功能性注释仍不完整。
近年来，“结构免疫”（structural immunity）这一概念得到了学术界的广泛关注，强调非造血细胞（如纤维母细胞、上皮细胞）在免疫反应中的潜在作用。尤其是角质细胞（keratinocyte），不仅可能在屏障破坏过程中被动参与微生物感染，还可能通过干细胞重编程以及免疫记忆调控免疫反应。基于此，本研究旨在从单细胞和空间分辨的角度，探索牙周炎中角质细胞的结构免疫特性与分化状态如何受到影响，以及它们与其他免疫和微生物统的互作。
论文来源
本研究由来自多家国际权威机构的研究者合作完成，包括Quinn T. Easter、Bruno Fernandes Matuck、Germán Beldorati Stark等，第一通讯作者为Kevin M. Byrd。论文发表于《Nature Communications》（2024年），DOI: 10.1038/s41467-024-49037-y。
研究流程详述
本研究主要通过构建整合的牙周组织单细胞转录图谱和细胞空间分布分析体系，对牙周炎相关的角质细胞亚群进行了深入研究，过程主要分为以下几部分：
流程一：单细胞转录组图谱构建
研究人员整合了四个已发表的人类牙周组织单细胞RNA测序（scRNAseq）数据集，涉及34个样本（包括健康、牙龈炎和牙周炎三种状态共105,918个细胞）。整合后的数据通过cellenics工具进行注释与分析，发现17种主要细胞类型，并进一步标注出其中的5种新的牙龈角质细胞亚群。特别关注的牙沟上皮角质细胞（sulcular keratinocyte, SK）和结合上皮角质细胞（junctional keratinocyte, JK）被精确分类为干细胞/祖细胞和分化子代，并通过角蛋白（KRT19）等特异性标志物验证其空间分布。
流程二：空间转录组学验证
结合多重原位杂交（multiplexed in situ hybridization, MISH）技术，研究团队对角质细胞的空间异质性进行了详细验证。通过标记CXCL14、NEAT1、FDPCS等特异性分子，首次精确定位了SK/JK角质细胞在牙齿周围组织的分布，并确认这些细胞在健康和疾病中的分化轨迹和区域特异性发炎表型。
流程三：细胞-细胞间通信分析
利用CellPhoneDB技术，研究人员从SK/JK到先天及适应性免疫细胞的多种趋化因子（例如CXCL1、CXCL8、IL-1B等）表达模式中预测了细胞-细胞互作通路。同时，发现JK更倾向与巨噬细胞、中性粒细胞等细胞通信，而SK则主要作用于T细胞和B细胞。
流程四：单细胞宏基因组学与细胞微生物互作分析
通过单细胞宏基因组技术（metagenomics），研究人员在SK/JK中发现大量疾病相关细菌，如牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis），并通过16s rRNA探针进一步验证细菌信号的细胞特异性分布。此外，首次在3D成像下观察到多个细菌物种可同时存在于角质细胞干细胞及其子代中。
流程五：多重免疫荧光与免疫组成分析
通过多重免疫荧光染色（Multiplexed Immunofluorescence, MIF），研究团队揭示了牙周炎中SK/JK与免疫细胞的微环境变化。发现牙周病JK附近存在免疫抑制微环境（比如PD-L1+表达的细胞），而SK区域更倾向于招募适应性免疫（如T细胞）并建立第三级淋巴结构。
研究主要结果与结论
结果支持数据：SK/JK角质细胞在牙周炎中表现出显著的分化轨迹紊乱及炎性因子的高表达，这包括多种趋化因子及IL-1超家族成员（IL-1A、IL-1B、IL-36G）。这些分子可能通过招募免疫细胞进一步加剧慢性炎症。
细菌信号关联：首次在SK/JK中空间分辨验证了多细菌信号负担（Polybacterial Burden）与其高炎症表型的直接相关性，这些信号可能以细菌胞外囊泡（Outer Membrane Vesicles）的形式存在。
免疫-结构互作：JK的细胞信号偏向于招募先天免疫细胞，而SK更倾向与适应性免疫相关细胞互作。这种免疫通信的分工可能是健康与疾病状态下的关键调控机制。
研究意义与亮点
本研究通过整合单细胞与多模态空间组学技术，首次全面注释了牙周炎中SK/JK角质细胞的异质性及其免疫互动特性。同时，本研究还提出了“角质因子”（Keratokines，角质细胞分泌的趋化因子）这一概念，强调这些角质细胞是“结构免疫中每个细胞都是免疫细胞”这一理论的核心践行者。
此外，本研究中关于多细菌互作的现象及其对宿主-微生物共生体系理解的扩展，也为未来探索跨物种、跨系统的疾病调控提供了新视角。这一成果有望为更精准的牙周病早期诊断、干预和个性化治疗开发奠定坚实基础。