芯空一号快讯 | 单细胞与空间转录组联合构建人胎肺上皮发育的时空图谱

通过10x单细胞转录组测序，研究团队识别出四类CFTR高表达的上皮祖细胞群体，其中一类三阳性细胞（SCGB3A2⁺ / SFTPB⁺ / CFTR⁺），被命名为TP细胞，是连接芽尖祖细胞与多种成熟上皮细胞亚型的重要中间状态。轨迹分析发现，这些CFTR⁺祖细胞具备明显的时间依赖性发育偏好：在孕早期（GW10–13），TP细胞更倾向于分化为肺神经内分泌细胞（PNEC）；而到了GW14–18孕中期及之后，TP细胞逐步偏向生成纤毛细胞、杯状细胞及部分基底细胞。这种谱系可塑性和时间阶段性，表明CFTR⁺祖细胞不仅是肺上皮建构的基础单位，也在发育进程中承担着灵活响应发育信号的“分化枢纽”角色。

CFTR⁺谱系祖细胞的发育轨迹及时间依赖性

在肺组织中的空间迁移路径。空间定位结果显示，NKX2-1⁺SOX9⁺CFTR⁺祖细胞主要集中在分支点区域，而TP细胞则富集于相邻的茎区，提示TP细胞作为中间状态的空间特性。TP细胞分化而来的多种成熟上皮细胞，如PNEC、纤毛细胞和杯状细胞，则逐步沿气道结构向管腔近侧排列，呈现出沿气道轴线“迁移式展开”的空间谱系演化模式。这一结构和功能的对应关系强化了空间坐标在谱系命运决策中的关键作用，也为精确再现肺的发育过程提供了解剖定位基础。

上皮细胞谱系结构与空间表达

结合细胞通讯分析与空间邻域分析，研究揭示了谱系分化背后的时间依赖性。在GW10–13阶段，主要由气道成纤维祖细胞分泌的FGF2和FGF7信号主导，驱动TP细胞偏向分化为PNEC。而到了GW14–19阶段，气道平滑肌细胞开始主导释放FGF18，转而诱导TP细胞向纤毛细胞谱系分化。此外，WNT和NOTCH通路在发育各阶段的动态活性变化，也进一步证实了肺发育过程中的时间依赖性原则。揭示谱系分化是由祖细胞状态、空间定位与时序信号三者交织调控的结果。

FGF信号驱动TP细胞谱系命运的调控机制

研究还将hPSC分化而来的胎肺类器官模型与真实胎肺样本进行了比对，发现体外构建的肺细胞谱系不仅成功覆盖GW10–19多个阶段的发育状态，更在轨迹结构与空间分布上与原始组织高度吻合。TP细胞可在类器官中稳定分化为PNEC和纤毛细胞，轨迹走向与原始组织空间图谱中的原型路径基本一致。

hPSC类器官模拟胎肺发育路线

本研究以单细胞转录组与空间转录组联合为核心，构建了10–19孕周人类胎肺上皮谱系的时间轨迹与空间图谱。研究系统定义了CFTR⁺多能祖细胞及TP细胞的发育潜力，明确其发育方向受到时间与空间信号的耦合调控。

该研究不仅填补了人类肺发育研究的空白，也为类器官构建、疾病建模与肺组织再生研究奠定重要基础，是空间组学应用于发育生物学的代表性案例。