近期，由美国宾夕法尼亚大学及德国研究中心的科学家团队合作开展的一项新研究通过对人类肾脏进行单细胞多组学测序（单细胞测序、单细胞核测序、单细胞核ATAC-Seq测序）和单细胞空间原位分析（CosMx单细胞空间原位分子成像技术），绘制了健康及慢性肾脏疾病（CKD）肾脏微环境全景特征，全面阐明了肾脏不同组织空间部位的分子和细胞特征，以及伴随CKD发生的组织微环境变化，尤其揭示了纤维化微环境在肾病进展中的作用。该研究成果发表在《Nature Genetics》杂志上。
“我们提供了人类肾脏和纤维化过程的全面空间解析分子路线图，证明了空间转录组学的临床实用性。
传统上，病理学家可以根据细胞形态从有限的约25种病症中做出诊断。然而，肾脏非常复杂，由30多种不同的细胞类型组成，这些细胞类型会发生动态变化和相互作用，尤其是在疾病状态下。
这项研究填补了一个重要的知识空白，不仅描述了传统病理方法所定义的细胞基因表达程序，而且进一步获取了离体单细胞的表达变化，并利用单细胞空间原位技术展示了不同细胞的空间位置，定义了疾病状态下不同空间区域的微环境类型以及特异性的基因表达变化。”
—Katalin Susztak, PhD
Director of the University of Pennsylvania's Penn-CHOP Kidney Innovation Center
为了深入研究肾脏及肾脏疾病的组织、细胞及分子复杂性，研究小组分析了细胞中的转录组表达和染色质模式，并利用CosMx单细胞空间原位技术等产生的空间转录组数据，定义了四种肾脏微环境：免疫、纤维化、肾小球和肾小管，阐释了不同空间微环境的细胞类型及表达特征，并探讨了这些特征和变化如何参与影响肾脏疾病的发生发展。
“我们的研究结果表明，纤维化微环境中的基因表达模式大大增强了疾病预测能力，优于传统的病理学方法，尤其是在疾病进展的早期阶段。这一发现为更准确的临床预测带来了希望，为未来治疗方法的开发提供了高价值的分子靶点。
从更广泛的适用性角度来说，研究小组成员认为，本研究所采用的多模态单细胞表达谱分析方法是在研究中应用尖端技术的典范，对治疗肾脏疾病以外的各种病症具有潜在意义。”
—Katalin Susztak, PhD
Abedini, A., Levinsohn, J., Klötzer, K.A. et al. Single-cell multi-omic and spatial profiling of human kidneys implicates the fibrotic microenvironment in kidney disease progression. Nat Genet (2024). https://doi.org/10.1038/s41588-024-01802-x
研究概览
肾脏是人体中错综复杂的三维结构，但人们对健康和疾病肾脏的组织空间结构及分子特征、机制仍然了解不足。传统的单细胞测序技术缺少了分子和细胞的空间信息，无法将鉴定出的细胞类型精准地映射回组织中。这种局限性妨碍了组织空间背景特征下的基因表达变化和细胞间通讯的研究，而这两者在维持组织健康和影响疾病发生发展方面都起着至关重要的作用。
慢性肾病（CKD）的发生发展与肾脏空间结构和细胞组成及状态密切相关。不同的肾病亚型也往往具有独特的组织学变化特征。然而，纤维化是几乎所有进展期慢性肾脏病的共同特征。
因此，一个重要的临床问题就是尽早确定哪些患者会发展为终末期肾衰竭。尤其对于疾病早期阶段的患者来说，准确的预后仍然是一个挑战。尽管一些研究认为纤维化的严重程度可以作为预测指标，但这一发现尚未得到一致证实。
该研究中，研究人员利用单细胞多组学测序针对81个样本（36份健康对照样本；20份糖尿病肾病患者样本；25份高血压慢性肾病患者样本），并结合公共单细胞测序数据库生成了高质量单细胞数据集，鉴定出健康、糖尿病和高血压疾病肾脏的不同细胞类型。
研究人员利用空间转录组方法获得了人类肾脏空间分子图谱，识别出四种具有明显空间分布特征的微环境，它们直观地对应于肾小球、肾小管、免疫和纤维化。因为纤维化是所有进展性CKD的共同表现，研究人员接下来重点分析了纤维化微环境。
通过CosMx单细胞空间原位分子成像技术，研究人员进一步构建了真正的单细胞空间分辨率的肾脏分子图谱。
人类肾脏单细胞空间分子图谱：
揭示肾脏中不同细胞类型的空间分布；
识别和区分健康和疾病状态下的细胞亚群和空间社群；
描述肾脏纤维化微环境中细胞间的相互作用和通讯；
定义纤维化微环境（FME）并评估其在肾脏疾病进展中的作用。
图 2 人类肾脏空间图谱。a. CosMx通用型检测panel可以在组织原位对每个细胞中的1000+个基因进行空间成像和表达定量，研究人员可以根据这些基因的表达模式对细胞类型进行注释。
通过空间转录组分析，研究人员鉴定出纤维化免疫微环境（FME）的细胞构成特征：FME主要由树突状细胞、浆细胞、B淋巴细胞和T淋巴细胞组成，其组织结构类似于早期三级淋巴结构。
图 4 人类肾脏FME。c. Cell2location（左）和Celltrek（右）对CosMx单细胞空间转录组进行细胞类型推算，显示不同细胞类型在病变肾脏样本FME中的位置。
利用CosMx单细胞空间转录组技术，研究人员不仅实现了对不同是细胞类型的空间定位，还对组织纤维化进行了详细的空间分子特征和细胞表征。研究人员对纤维化微环境进行细胞类型富集分析，发现纤维化微环境中存在成纤维细胞、肌成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞和损伤的肾小管细胞，包括损伤的近端肾小管细胞（iPT）。
然后，研究人员从空间转录组数据入手，试图进一步探究iPT的异质性。研究人员利用CosMx单细胞空间转录组数据对iPT细胞进行了细胞亚型聚类，研究人员注意到，iPT亚群的异质性与邻近细胞的特性相对应。
图 5 人类疾病肾脏中的iPT细胞。 d. CosMx数据显示iPT和PECs的注释分别定位在肾小管和肾小球。i. 利用CosMx数据对iPT进行亚聚类，显示了iPT的三种亚型。这些iPT亚型有不同的邻近细胞（50微米半径内），其中iPT_KRT7在疾病样本中最常与成纤维细胞和免疫细胞为邻。
扩展数据 图 6 CosMx切片成像结果示意图。d. 一个成像视野中现实出不同的细胞类型。
FME作为生物标志物预测疾病进展
接下来，研究人员想了解空间转录组数据能否帮助疾病分类和预后评估。首先，研究人员生成了一个纤维化微环境基因评分（FME-GS），根据CosMx单细胞空间转录组数据，结合纤维化微环境基因评分，研究人员分析了一个包含292个人类肾脏的大型外部肾脏队列，其中包括健康样本和不同严重程度的CKD样本。分析发现，该FME-GS能够成功地将不同严重程度和进展阶段的样本有效区分开来，能作为预后生物标志物有效预测肾功能衰退，展示了空间转录组学的临床应用价值。
研究团队综合使用了多种前沿多组学工具和方法，提供了人类肾脏和纤维化过程的全面空间解析分子路线图，证明了空间转录组学的临床适用性，并强调如何全面深入分析、挖掘及展示如此丰富的数据信息将对未来透彻的科学及转化研究至关重要。
CosMx™ SMI单细胞空间原位成像系统
CosMx™ SMI是一个突破性的单细胞空间原位成像平台，结合了超高分辨率成像技术和多靶标检测能力，能够对组织切片中6000+种RNA和64+种蛋白质分子进行单细胞和亚细胞分辨率的原位成像，支持研究人员实现精准透彻的生物学解析。
众所周知，FFPE样本中的RNA和蛋白质通常质量较低，尤其是RNA往往降解严重，使得对于FFPE样本的分子检测分析极具挑战性。CosMx™ SMI系统具有简单的样本制备流程和稳定的原位杂交化学原理，并能够兼容多种组织类型（如新鲜冷冻（FF）、福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）、组织芯片（TMA）、类器官等），在单细胞分辨率上实现RNA和蛋白质在组织细胞原位精细的可视化展示和精准的定量分析。
超多靶标的单细胞空间原位表达信息不仅可以实现精细的细胞分型，绘制单细胞空间图谱，详细展示细胞邻域和组织微环境，同时还支持细胞配受体检测，在真实的组织空间背景下推进您对细胞间相互作用、细胞通讯和细胞状态的深刻洞察。
CosMx™ SMI应用包括：
单细胞空间图谱：发现不同细胞类型，绘制其组织空间定位；
差异表达分析：基于空间背景的单细胞转录组差异表达分析；
解析细胞状态和细胞功能；
细胞邻域分析：组织微环境的空间表型；
细胞通讯：配体-受体相互作用；
转录本和蛋白的亚细胞定位；
生物标志物的发现和验证。
GeoMx® DSP是空间全转录组领域的领先平台，主要针对由多细胞组成的功能单元、细胞亚群和特定组织结构等进行空间原位的全转录组或蛋白质组的表达谱分析。而CosMx™ SMI则着重在空间检测分辨率方面进行了突破性提升，可以实现对组织切片中上6000+种RNA和64+种蛋白质在单细胞和亚细胞水平的原位表达进行检测。GeoMx® DSP和CosMx™ SMI共同为空间生物学的新发现和新突破，提供着前所未有的先进科技力量！
