CD16+单核细胞在慢性血栓栓塞性肺动脉高压发生发展中的意义:来自单细胞RNA测序的见解

The significance of CD16+ monocytes in the occurrence and development of chronic thromboembolic pulmonary hypertension: insights from single-cell RNA sequencing.

作者信息Maohe Chen, Qiuxia Wu, Nan Shao, Xingyue Lai, Huo Lin, Min Chen, Yijing Wu, Jiafan Chen, Qinghuang Lin, Jiahui Huang, Xiaoyun Chen, Wei Yan, Shi Chen, Hongli Li, Dawen Wu, Minxia Yang, Chaosheng Deng
PMID39192976
发布时间2024-08-13
DOI10.3389/fimmu.2024.1446710

实验完整度

包含多组学分析(单细胞测序)与多种验证(流式、免疫荧光)及两种动物模型(CTEPH和DVT模型),涵盖体外到体内验证。

主要模型

CTEPH患者外周血单个核细胞(PBMCs) CTEPH患者肺动脉内膜剥脱组织 中心静脉导管反复栓塞CTEPH大鼠模型 下腔静脉结扎深静脉血栓大鼠模型

重点核对

scRNA-seq样本:3例CTEPH未治疗(CTEPH-N)、2例CTEPH干预后(CTEPH-I)、3例健康对照(HC)的外周血PBMCs,3例CTEPH患者PEA组织样本中2例用于分析 流式细胞术验证:15例CTEPD患者与15例健康对照配对,检测外周血CD16+单核细胞比例 CTEPH大鼠模型:成年雄性SD大鼠(300-350g),随机分Control与CTEPH组,经中心静脉导管反复注射自体血栓3天,并腹腔注射氨甲环酸(200 mg/kg/d),14天后检测 DVT大鼠模型:成年雄性SD大鼠(200-250g),随机分Sham与DVT组,下腔静脉结扎,14天后检测外周血和血栓部位CD43++单核细胞比例 免疫荧光验证:下腔静脉结扎后1天、7天、14天血栓组织中IL-1β+巨噬细胞浸润

摘要

背景:慢性血栓栓塞性肺动脉高压(CTEPH)是一种严重的肺血管疾病,其特征是肺动脉残留血栓和远端肺微血管重塑。CTEPH的发病机制尚不清楚,但炎症、免疫、凝血和血管生成等多种因素可能参与其中。单核细胞是重要的免疫细胞,可分化为巨噬细胞和树突状细胞,在血栓形成中发挥重要作用。然而,CTEPH患者中单核细胞亚群的分布、基因表达谱和分化轨迹尚未得到系统研究。本研究旨在利用单细胞测序技术揭示CTEPH患者单核细胞的特征和功能,为CTEPH的诊断和治疗提供新的见解。方法:对健康对照、CTEPH患者外周血单个核细胞(PBMCs)以及CTEPH患者肺动脉内膜剥脱术(PEA)后的组织进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析。我们建立了通过中心静脉导管反复注射自体血栓导致慢性肺栓塞的CTEPH大鼠模型,并使用流式细胞术检测CTEPH患者和CTEPH大鼠模型中单核细胞亚群的比例变化。我们还通过免疫荧光染色观察了血栓组织中巨噬细胞亚群的浸润程度及其与外周血单核细胞亚群的分化关系。结果:结果显示,CTEPH患者外周血中的单核细胞亚群发生显著变化,尤其是CD16+单核细胞亚群的比例增加。该单核细胞亚群在转录组水平上具有独特的功能特征,涉及细胞粘附、T细胞活化、凝血反应和血小板活化等过程,可能在肺动脉血栓形成和肺动脉内膜重塑中发挥重要作用。此外,我们还发现CTEPH患者肺动脉内膜剥脱组织中的巨噬细胞亚群表现出促炎和脂质代谢重编程特征,这可能与肺动脉血栓的持续性和不溶性以及肺动脉高压的发展有关。最后,我们还观察到CTEPH患者外周血中的CD16+单核细胞亚群可能被招募到肺动脉内膜组织,并分化为高表达IL-1β的巨噬细胞亚群,参与疾病进展。结论:CD16+单核细胞亚群在CTEPH患者中具有显著的基因表达变化,与血小板活化、凝血反应和炎症反应相关。我们还发现这些细胞可以迁移到血栓并分化为高表达IL-1β的巨噬细胞,参与CTEPH疾病进展。我们认为CD16+单核细胞是CTEPH的重要参与者,也是潜在的治疗靶点。

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
CTEPH患者外周血单核细胞亚群的组成、功能和分化特性尚未明确,本研究旨在利用单细胞测序技术揭示其特征及在疾病中的作用。
核心机制
CD16+单核细胞在CTEPH患者中比例增加,具有促炎、促凝和促迁移特征,可能被招募至血栓部位,分化为高表达IL-1β的促炎性巨噬细胞(Macrophages 2),参与肺动脉血栓持续存在和肺血管重塑,从而推动疾病进展。
主要证据
scRNA-seq揭示CTEPH患者外周血CD16+单核细胞比例升高,与平均肺动脉压正相关;流式验证CTEPD患者CD16+单核细胞比例升高;CTEPH和DVT大鼠模型显示CD43++单核细胞(人类CD16+类似)比例升高;PEA组织巨噬细胞亚群分析及伪时间分析支持CD16+单核细胞向IL-1β+巨噬细胞分化;免疫荧光显示IL-1β+巨噬细胞随时间在血栓中积累。
研究意义
CD16+单核细胞是CTEPH的重要参与者,可能作为诊断生物标志物或治疗靶点,干预其形成和分化可能改善疾病进展和治疗效果。

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RNA测序揭示细胞图谱

全面解析CTEPH患者外周血和肺动脉内膜剥脱组织的细胞组成和转录特征。

对CTEPH患者(未治疗和干预后)、健康对照的外周血PBMCs及CTEPH患者的PEA组织进行scRNA-seq,经质量控制、聚类和细胞类型鉴定,共获得77501个细胞和31个簇、10种细胞类型。

2

单核细胞亚群比例分析

比较CTEPH患者与健康对照外周血单核细胞亚群比例的变化,并验证与临床特征的相关性。

对单核细胞聚类分为CD14+和CD16+亚群,计算各组的Ro/e值,分析CD16+单核细胞比例与mPAP、PVR等临床指标的相关性;并使用流式细胞术在15例CTEPD患者和15例健康对照中验证。

3

CD16+单核细胞功能特征分析

探究CTEPH患者外周血CD16+单核细胞独特的生物学功能和相关信号通路。

通过GO、KEGG、GSEA、GSVA和SCENIC分析,比较CD16+单核细胞与CD14+单核细胞,以及CTEPH患者与健康对照的CD16+单核细胞的差异表达基因和功能富集。

4

动物模型构建和验证

在体内验证CD16+单核细胞(大鼠CD43++)比例在CTEPH和深静脉血栓模型中的变化。

构建中心静脉导管CTEPH大鼠模型和下腔静脉结扎DVT大鼠模型,通过流式细胞术检测外周血和血栓形成部位单核细胞亚群比例,并通过血流动力学和病理染色验证模型成功。

5

PEA组织巨噬细胞亚型分析

鉴定CTEPH患者肺动脉内膜剥脱组织中巨噬细胞亚型及其功能特征。

对2例CTEPH患者的PEA组织scRNA-seq数据中巨噬细胞进行再聚类,得到4个亚群,通过KEGG、GSVA分析其功能,并计算各亚群的resident score。

6

分化轨迹分析

探究外周血CD16+单核细胞与PEA组织中IL-1β+巨噬细胞的分化关系。

通过相关性分析、resident score、Monocle2伪时间分析和免疫荧光染色,验证CD16+单核细胞可分化为高表达IL-1β的巨噬细胞。

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
Ficoll-Paque Plus分离液GE Healthcare--
GEXSCOPE®红细胞裂解液Singleron--
GEXSCOPE®单细胞RNA文库构建试剂盒Singleron--
Singleron Matrix®单细胞处理系统Singleron--
Illumina HiSeq XIllumina--
Illumina Novaseq 6000Illumina--
CD14-PE抗体ElabscienceE-AB-F1209D
CD16-FITC抗体ElabscienceE-AB-F1236C
Biosciences AccuriC6流式细胞仪BD Biosciences--
CD172-BV421抗体BD Biosciences744861
CD11b-APC抗体MULTI SCIENCESF3101103
CD43-FITC抗体BD Biosciences202814
Ficoll分离液Beijing Solarbio Science & Technology Co, LtdP8680
Ficoll分离液Beijing Solarbio Science & Technology Co, LtdP6700
中心静脉导管----
氨甲环酸----
青霉素----
PowerLab多通道生理记录仪ADInstruments--
Motic EASYSCAN扫描仪Motic--
CD68抗体servicebioGB113109
IL-1β抗体servicebioGB11113
HRP标记的山羊抗兔IgG(H+L)servicebioGB23303
iF488-酪胺信号放大试剂servicebioG1231
Cy3-酪胺信号放大试剂servicebioG1223

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
PBMC分离
2mL静脉血,EDTA抗凝,Ficoll-Paque Plus密度梯度离心,红血球裂解液去除红细胞,离心条件(500×g 5min,400×g 5min)
阅读提示:Methods 2.2
单细胞测序
细胞浓度2×105 cells/mL,使用Singleron Matrix系统建库,测序平台(HiSeq X, Novaseq 6000)
阅读提示:Methods 2.3
数据质量控制和聚类
过滤标准:基因数<200或前2%基因数、前2%UMI数、线粒体含量>10%排除;使用Scanpy、Harmony、Louvain聚类,分辨率1.2
阅读提示:Methods 2.6, 2.7
流式细胞术(人)验证
样本量:15例CTEPD患者和15例健康对照;抗体:CD14-PE和CD16-FITC;圈门策略:CD14+细胞根据CD16表达分群
阅读提示:Methods 2.17, Figure 2E, 2F
CTEPH大鼠模型构建
大鼠品系:SD大鼠,雄性,6-8周龄,体重300-350g;分组:Control和CTEPH;经中心静脉导管注射自体血栓3天;氨甲环酸200 mg/kg/天腹腔注射;青霉素100,000 U/kg/天;14天后检测
阅读提示:Methods 2.14, Figure 4A
DVT大鼠模型构建
大鼠:SD大鼠,雄性,6-8周龄,体重200-250g;分组:Sham和DVT;下腔静脉结扎;14天后检测外周血和血栓部位
阅读提示:Methods 2.14, Figure 4F
免疫荧光验证IL-1β+巨噬细胞
使用下腔静脉结扎模型,在1、7、14天取材,用CD68和IL-1β抗体进行免疫荧光染色
阅读提示:Figure 6C, Methods 2.16