单细胞和空间转录组学揭示驱动肉芽肿形成的异常淋巴发育程序

Single-cell and spatial transcriptomics reveal aberrant lymphoid developmental programs driving granuloma formation

作者信息Thomas Krausgruber, Anna Redl, Daniele Barreca, Konstantin Doberer, Daria Romanovskaia, Lina Dobnikar, Maria Guarini, Luisa Unterluggauer, Lisa Kleissl, Denise Atzmüller, Carolina Mayerhofer, Aglaja Kopf, Simona Saluzzo, Clarice X Lim, Praveen Rexie, Thomas Weichhart, Christoph Bock, Georg Stary
PMID36750099
期刊Immunity
发布时间2023-02-14
DOI10.1016/j.immuni.2023.01.014

实验完整度

高

包含患者样本的单细胞转录组学、空间转录组学、免疫荧光染色及小鼠模型的药物抑制验证,具有多重独立证据层级。

主要模型

结节病皮肤肉芽肿患者皮损与非皮损皮肤 TSC2fl/fl CD11c Cre+ 小鼠肉芽肿模型

重点核对

12例结节病患者的皮损和非皮损皮肤配对样本 MMP12抑制剂FPA-014的给药剂量(10 mg/kg和30 mg/kg)及给药方式(口服灌胃) 小鼠模型TSC2fl/fl CD11c Cre+及遗传对照TSC2fl/fl CD11c Cre−的基因型 4周治疗期及前后爪和尾部厚度的测量

摘要

Granulomas are lumps of immune cells that can form in various organs. Most granulomas appear unstructured, yet they have some resemblance to lymphoid organs. To better understand granuloma formation, we performed single-cell sequencing and spatial transcriptomics on granulomas from patients with sarcoidosis and bioinformatically reconstructed the underlying gene regulatory networks. We discovered an immune stimulatory environment in granulomas that repurposes transcriptional programs associated with lymphoid organ development. Granuloma formation followed characteristic spatial patterns and involved genes linked to immunometabolism, cytokine and chemokine signaling, and extracellular matrix remodeling. Three cell types emerged as key players in granuloma formation: metabolically reprogrammed macrophages, cytokine-producing Th17.1 cells, and fibroblasts with inflammatory and tissue-remodeling phenotypes. Pharmacological inhibition of one of the identified processes attenuated granuloma formation in a sarcoidosis mouse model. We show that human granulomas adopt characteristic aspects of normal lymphoid organ development in aberrant combinations, indicating that granulomas constitute aberrant lymphoid organs.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肉芽肿形成的细胞和分子机制是什么,特别是它们如何与淋巴器官发育程序相似?
核心机制
肉芽肿形成涉及代谢重编程的巨噬细胞、产生细胞因子的Th17.1细胞和具有炎症及组织重塑表型的成纤维细胞之间的相互作用,这些细胞共同利用与淋巴器官发育相关的转录程序,但失去了正常的调控,形成异常的淋巴器官。
主要证据
通过单细胞RNA测序和空间转录组学分析12例结节病患者的皮肤肉芽肿,结合免疫荧光染色,鉴定了关键细胞亚群及其细胞间相互作用,并在小鼠模型中通过MMP12抑制剂FPA-014验证了ECM重塑的作用。
研究意义
该研究提供了非感染性肉芽肿的分子和空间图谱,为靶向肉芽肿形成机制的治疗策略提供了数据资源和潜在靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

单细胞转录组分析患者皮肤样本

构建肉芽肿和匹配的非病变皮肤的细胞图谱,识别主要细胞类型。

对12例结节病患者的皮损和非皮损皮肤进行单细胞RNA测序,整合数据并进行聚类。

2

空间转录组和免疫荧光验证

确定关键细胞在肉芽肿中的空间分布和定位。

对皮肤活检进行空间转录组测序和免疫荧光染色,定位巨噬细胞、T细胞和成纤维细胞。

3

细胞亚群鉴定和差异基因表达分析

鉴定肉芽肿相关细胞亚群及其转录特征。

对巨噬细胞、T细胞、成纤维细胞等细胞亚群进行差异基因表达和功能富集分析。

4

细胞间相互作用预测

预测肉芽肿内细胞间的配体-受体相互作用。

使用CellPhoneDB预测细胞间通信网络。

5

体内药理学验证

验证ECM重塑在肉芽肿形成中的功能作用。

在TSC2fl/fl CD11c Cre+小鼠模型中,通过口服给予MMP12抑制剂FPA-014,评估对肉芽肿病变的影响。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
胶原酶IVThermo Fisher Scientific:
无RNA酶的DNA酶IThermo Fisher Scientific:
OCT包埋剂Scigen Scientific--
SuperFrost PLUS粘附载玻片Thermo Fisher Scientific--
DAPI染料Merk:
PermaFluor封片剂Thermo Fisher Scientific:
CCR6 – PE抗体Biolegend353409
CD3 – PE/Dazzle 594抗体Biolegend300450
CD31 – FITC抗体Biolegend303103
CD38 – PE抗体BD Bioscience347687
CD49d (ITGA4) – FITC抗体Biolegend304315
CD68 – APC抗体Biolegend333810
CD90 – FITC抗体BD Bioscience555595
CD274 (PD-L1) – AF594抗体Biolegend329742
CD279 (PD-1) – APC抗体Biolegend329908
CHIT1抗体Atlas AbsHPA010575
COL4抗体Abcamab6586
FAP(成纤维细胞活化蛋白)抗体Helmut Dolznig LabClone:
SPP1(骨桥蛋白)抗体ThermofisherMA5-17180
可固定活力染料– eFluor780eBioscience:
荧光素/Oregon green – AF488二抗InvitrogenA11096
小鼠IgG – AF488二抗InvitrogenA11001
小鼠IgG – AF750二抗InvitrogenA21037
小鼠IgG – AF647二抗InvitrogenA21240
兔IgG - PE二抗InvitrogenP2771MP
Chromium单细胞3' GEM、文库和凝胶珠试剂盒v310x Genomics1000075
Chromium Next GEM单细胞3' GEM、文库和凝胶珠试剂盒v3.110x Genomics1000121
Chromium Next GEM单细胞3'试剂盒v3.1(双索引)10x Genomics1000268
Chromium单细胞B芯片试剂盒10x Genomics1000153
Chromium Next GEM G芯片试剂盒10x Genomics1000120
Chromium i7多重试剂盒10x Genomics120262
单索引试剂盒T Set A10x Genomics1000213
双索引试剂盒TT Set A10x Genomics1000215
Visium空间基因表达玻片和试剂盒10x Genomics1000184
Visium辅助试剂盒10x Genomics1000194
伊红DakoCS701
蓝化缓冲液DakoCS702
MMP12抑制剂FPA-014Foresee PharmaceuticalsN/A
数显测厚规KäferFD

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
患者样本采集
患者诊断、样本部位(皮损和非皮损)、样本类型(6mm皮肤活检)
阅读提示:STAR Methods - Patients and sample collection
单细胞RNA测序
细胞分选(CD45+和CD45-细胞)、使用的试剂盒版本、测序平台
阅读提示:STAR Methods - Single-cell RNA sequencing
空间转录组学
组织包埋条件、切片厚度、透化时间(18分钟)、使用的试剂盒
阅读提示:STAR Methods - Spatial transcriptomics
免疫荧光染色
切片厚度(7μm)、使用的抗体及其克隆、分析软件
阅读提示:STAR Methods - Immunofluorescence protein staining
动物实验
小鼠品系(TSC2fl/fl CD11c Cre+)、年龄(20-24周)、雌性、给药剂量(10或30 mg/kg)、给药方式(口服灌胃)、给药时长(4周)、测量指标(前爪、后爪、尾部厚度)
阅读提示:STAR Methods - Sarcoidosis mouse model and MMP12 treatment