Nat Commun｜直捣黄龙！空间单细胞组学发现外周血靶细胞亚群的组织落脚点

溃疡性结肠炎（Ulcerative colitis，UC）是一种慢性炎症性肠道疾病，其特征是免疫介导的黏膜炎症和上皮损伤。目前UC的治疗策略已经从单纯的症状缓解转变为更精准的靶向治疗。Vedolizumab（VDZ）作为一种抗整合素α4β7的单克隆抗体，已被证明在治疗UC中具有显著作用，其通过特异性的抑制淋巴细胞向肠道的迁移，减少炎症反应。但其对UC患者不同细胞群的广泛影响尚未完全阐明。

来自加州大学的研究团队在《Nature Communications》（IF=16.6）发表的一项题为“Single-cell and spatial multi-omics highlight effects of anti-integrin therapy across cellular compartments in ulcerative colitis”的研究，使用单细胞技术和空间多组学技术探讨了VDZ治疗过程中UC患者体内细胞亚群的变化，发现了在VDZ治疗过程中的特征细胞及其空间位置的变化。

01 单细胞技术分析VDZ治疗对循环免疫细胞的影响

研究人员首先通过单细胞测序对健康对照（HC）、接受5-ASA治疗的UC患者和接受VDZ治疗的UC患者的外周血免疫细胞进行了分析（图1A），结果显示患者循环白细胞亚群并未出现明显的频率变化（图1B），仅发现了VDZ与少部分细胞亚群的转录变化有关（图1C）。接着研究人员通过质谱流式（CyTOF）针对性的分析α4β7+细胞在外周血和结肠组织中的变化（图1D），发现CD8+T细胞、浆细胞等多种细胞在结肠组织中减少，而在外周循环中增加（图1E），表明VDZ可能通过改变以上细胞的肠道迁移模式发挥作用。

图1 UC患者肠道及外周血免疫细胞分析

02 空间单细胞蛋白组识别VDZ治疗患者细胞亚群空间位置

在确定多种免疫细胞可能在肠道中发挥作用后，研究人员使用空间单细胞蛋白组（MIBI和PhenoCycler-Fusion）对UC患者结肠组织进行了分析，MIBI结果显示相较于健康对照，在UC患者中成纤维细胞数量增加，并在VDZ治疗后出现了减少的趋势（图2A-B）。相比ROI分析的MIBI，全组织切片成像技术的PhenoCycler-Fusion（原CODEX）可以将细胞亚型进一步的细化。研究人员发现在UC患者中巨噬细胞和CD44+基质成纤维细胞均有治疗后减少的趋势（图2C-D），因此作者分析了两个细胞的空间位置。在UC患者肠道组织中，两种细胞存在着极其相邻的位置关系，而在VDZ治疗的患者中这种趋势减弱（图2E）。同时作者还发现了与HC相比，UC患者中活化成纤维细胞和活化炎性MNP同样具有空间趋近性，在治疗之后这种空间趋近性则会减弱。

图2 空间单细胞蛋白组识别UC患者免疫细胞空间位置

03 空间单分子原位成像揭示VDZ治疗响应与否的细胞特征

免疫细胞的空间位置在UC患者和接受VDZ治疗的UC患者中出现了有趣的分布，研究人员进一步使用CosMx SMI空间转录组分析了相关细胞及其特征基因在组织中的分布情况，以区分VDZ治疗响应与不响应患者的细胞特征（图3A）。作者首先分析了特征细胞（活化MNP）与VDZ治疗响应的关系，发现VDZ治疗响应患者拥有更高的活化MNP比例，并在治疗后比例减少（图3B）。同时治疗响应与不响应患者也显示出差异的细胞空间距离（图3C）。研究人员在此展示了相关细胞和基因在两种类型患者中的分布情况（图3D）。

后续研究人员使用了公共数据库中UC患者的转录组数据对空间组学所发现的特征基因进行了验证，基因集富集分析（GSEA）证实了空间组学所发现的与治疗响应相关的基因特征。

图3 空间转录组分析特征细胞空间位置

总结与讨论

本研究通过多种单细胞及空间组学精确的描绘了溃疡性结肠炎患者的细胞变化。空间组学的出现让研究人员在分析特征细胞量变的同时，能够可视化不同细胞亚群之间的相互作用和空间邻近性，从而深入理解VDZ如何通过调节这些细胞亚群来发挥治疗作用。这种对细胞层面的解析为开发新型疗法和临床医学的转化提供了强有力的科学依据。

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相关文献

Mennillo E, Kim YJ, Lee G, et al. Single-cell and spatial multi-omics highlight effects of anti-integrin therapy across cellular compartments in ulcerative colitis. Nat Commun. 2024 ;15(1):1493.