IF31.7｜空间转录组揭示肺纤维化远端重塑的分子微环境失调

用空间转录组在单细胞分辨率下重建肺纤维化分子病理进程，发现上皮失调先于结构重塑。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

肺纤维化（PF）以远端肺结构破坏和细胞组成改变为特征，其中特发性肺纤维化（IPF）预后最差，确诊后3-5年内多数患者死亡或需肺移植。IPF的经典病理特征包括空间异质性、上皮近端化化生、蜂窝囊肿和成纤维细胞灶。既往单细胞RNA测序（scRNA-seq）研究已揭示IPF中细胞类型和分子程序的剧烈变化，包括疾病相关细胞状态如KRT5-/KRT17+异常基底样细胞、活化成纤维细胞和SPP1+巨噬细胞。然而，scRNA-seq丢失空间背景，无法回答这些细胞在组织中的定位、相互作用及其与病理结构的关系。空间转录组技术可在保留空间信息的同时测量基因表达，为解析PF中分子微环境的失调提供了新手段。

科学问题

卡在哪里： 尽管scRNA-seq已鉴定出PF相关细胞类型和状态，但这些细胞在组织中的空间定位、与经典病理特征（如上皮脱离、成纤维细胞灶）的对应关系，以及它们在疾病进展中的先后顺序仍不清楚。此外，现有研究多聚焦于终末期高度重塑区域，难以捕捉早期分子事件。

本文要回答： 本文旨在利用图像基空间转录组技术，在单细胞分辨率下系统描绘健康与PF肺的细胞和分子空间微环境，揭示PF病理特征的空间基础，并重建肺泡重塑的分子时间线。

技术路线

作者主要用了：Xenium空间转录组、Visium HD、GraphSAGE、Seurat v5、GAM轨迹分析。

作者利用Xenium平台对35例肺组织（9例对照，26例PF）进行343基因的空间转录组分析，获得1.6百万细胞和近3亿转录本。通过细胞分割和注释，鉴定出47种细胞类型。随后，采用两种互补方法定义空间微环境：基于细胞类型的Seurat v5邻域聚类和基于转录本图神经网络的GraphSAGE聚类，各得到12个微环境。进一步，作者开发了基于机器学习的管腔分割算法，将1747个肺泡腔按健康肺泡微环境比例排序，构建伪时间轨迹，并用广义加性模型（GAM）识别沿轨迹变化的基因、细胞类型和微环境，从而重建PF肺泡重塑的分子事件顺序。

图 1　Fig. 1。图1展示了实验设计和分析流程：45个肺组织核心在Xenium平台上处理，检测343个基因，获得近3亿转录本。通过细胞分割和质控，保留163万细胞。随后进行细胞类型注释、微环境分析（GraphSAGE和Seurat v5）以及肺泡腔分割和伪时间分析。该图概括了从原始数据到生物学发现的计算路径。

核心亮点

亮点 1｜空间数据恢复真实细胞比例

与scRNA-seq相比，空间转录组数据中AT2/AT1细胞比例更接近生理值（2.5 vs 13.2），表明空间技术能更好地保留肺内细胞组成，尤其是内皮和间充质细胞。作者鉴定出47种细胞类型，包括多种成纤维细胞亚型（肺泡、肌成纤维、活化纤维化、胸膜下）和内皮亚型，并验证了其空间定位与预期解剖结构一致。这一结果为后续微环境分析提供了可靠的细胞图谱基础。

图 2　Fig. 2。图2展示了细胞类型组成和空间定位。a图显示各细胞类型频率，b图比较了空间数据与scRNA-seq的AT2/AT1比例，c图展示标志基因表达，d-i图显示特定细胞类型在气道、肺泡和血管结构中的空间分布。该图验证了空间数据的可靠性，并揭示了成纤维细胞亚型的空间异质性。

亮点 2｜上皮脱离与KRT5-/KRT17+细胞相关

作者发现上皮脱离这一经典PF病理特征与转录本微环境T3和细胞微环境C3强相关，其中分别包含96%和64%的KRT5-/KRT17+细胞。这些细胞常位于活化成纤维细胞附近，且高表达COL1A1、MMP7、SOX4等基因，富集于细胞外基质组织和细胞粘附通路。在结构完整的区域也观察到同一微环境，提示分子变化先于组织学改变。这一发现将KRT5-/KRT17+细胞与上皮脱离和纤维化前沿联系起来，为理解其病理作用提供了空间证据。

图 3　Fig. 3。图3展示了微环境分析结果。a图为代表性样本的转录本和细胞微环境空间分布，b图显示细胞类型与微环境的对应关系，c图比较不同疾病严重程度下微环境比例，d图显示微环境与病理特征的关联。该图表明健康肺泡微环境在PF中显著减少，而疾病相关微环境（如免疫、纤维化、过渡上皮）增多。

亮点 3｜巨噬细胞在肺泡腔的积累与极化

作者鉴定出一个与肺泡腔内巨噬细胞积累相关的细胞微环境C11，在所有PF样本中均存在。积累的巨噬细胞主要由FABP4+和SPP1+两个亚群组成，二者在空间上可同时出现但相对比例随病理严重程度变化：FABP4+巨噬细胞在轻度重塑区域比例较高，而SPP1+巨噬细胞在重度重塑区域比例增加，且SPP1表达与病理评分正相关。这一发现提示巨噬细胞极化是PF进展中的晚期事件，可能由FABP4+向SPP1+转变。

图 4　Fig. 4。图4聚焦于上皮脱离与KRT5-/KRT17+细胞的关系。a-b图显示上皮脱离区域与T3/C3微环境重叠，c-d图展示纤维化区域边缘的上皮脱离和KRT5-/KRT17+细胞，e-g图显示结构完整但分子异常的过渡上皮，h图显示脱离相关微环境在疾病样本中的比例，i-j图展示KRT5-/KRT17+细胞与活化成纤维细胞的邻近关系及其上调基因。该图支持上皮脱离是疾病进展中的关键事件。

亮点 4｜肺泡重塑的分子时间线

通过将1747个肺泡腔按健康微环境比例排序，作者构建了从稳态到终末期重塑的伪时间轨迹。GAM分析显示，早期事件包括毛细血管内皮和AT1细胞丢失、AT2细胞增殖增加，随后出现过渡性上皮和气道样特征，活化成纤维细胞出现，最后是FABP4+和SPP1+巨噬细胞积累。基因表达聚类分析表明，早期重塑基因主要定位于上皮细胞（尤其是AT2细胞），而晚期重塑基因则更多来自髓系细胞。这一时间线支持上皮损伤是PF起始事件的模型，并提示治疗策略需根据疾病阶段调整。

图 5　Fig. 5。图5展示了肺泡腔内巨噬细胞积累。a图显示C11微环境在不同疾病严重程度下的比例，b图为代表性空间分布，c-e图显示FABP4+和SPP1+巨噬细胞在肺泡腔内的积累，f图显示两种巨噬细胞比例随病理评分的变化，g-h图用Visium HD数据验证了巨噬细胞积累。该图表明巨噬细胞极化是PF晚期事件。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： Xenium空间转录组、Visium HD、GraphSAGE、Seurat v5、GAM轨迹分析
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事肺纤维化、空间转录组或单细胞分析的研究人员，尤其关注微环境解析和疾病轨迹建模的学者。

带走一句

空间转录组结合细胞感知和细胞无关的微环境分析，能揭示疾病中分子病理的时空顺序，为其他器官研究提供可借鉴的框架。