慢性阻塞性肺疾病（简称“慢阻肺”），英文简称“COPD”，也就是我们日常生活中所说的慢性支气管炎和肺气肿，主要症状为长时间咳嗽、咳痰以及气短，是慢性支气管炎和肺气肿的总称。COPD具有进行性、不可逆特征，久而久之将演变成肺心病，最后可能累及全身各系统。世界卫生组织将每年11月第三周的周三定为世界慢阻肺日（今年是11月16日），宗旨是帮助人们提高对慢阻肺的认识，改善慢阻肺诊断不足和治疗不力的现状。
2022年1月25日，Nature communications（IF=17.694）上发表了一篇题为Characterization of the COPD alveolar niche using single-cell RNA sequencing的研究论文。作者分析了来自患有晚期COPD及对照组的外植肺组织的scRNA-seq图谱，并通过香烟烟雾诱导10个月的小鼠模型进行scRNA-seq作为验证。通过对患者单细胞转录组数据的分析，定义了一个肺泡上皮II型细胞亚群，该亚群表征出细胞代谢功能异常以及细胞应激耐受性降低的特点。同时通过转录组网络分析，发现COPD患者中，毛细血管内皮细胞CXCL趋化因子升高介导炎症反应。最后，在晚期COPD患者中，鉴定出了高表达金属硫蛋白的巨噬细胞亚群。该研究突出了晚期COPD患者病理中所涉及的细胞特异性机制。
研究内容
1、利用scRNAseq数据分析慢性阻塞性肺病的细胞类型
作者重新分析了之前从移植肺中获得的scRNA-seq谱，主要集中在17例晚期COPD患者和年龄相仿的15例对照组样本（图1A）。最终的数据集包括来自对照组肺的49,976个细胞和来自COPD肺的61,564个细胞，基于代表性标记基因，在对照组和COPD肺中识别出37种不同的细胞类型（图1B）。为了验证研究结果，对小鼠的肺组织细胞进行了scRNA-seq测序，并通过香烟烟雾诱导来构建小鼠疾病模型。
图1 利用scRNA-seq数据分析COPD的细胞类型
2、AT2亚群与COPD病理和遗传有关
介于上皮细胞在研究COPD病理学中的重要地位，作者首先分析了患者和对照组scRNA-seq数据中上皮细胞群的转录谱，并鉴定出了所有主要的上皮细胞类型，包括I型肺泡上皮细胞（AT1），AT2，纤毛细胞，杯状细胞和俱乐部细胞（图2A）。
鉴定出了两个AT2亚群，其中一个亚群由典型AT2标记表达增加的细胞组成，如SFTPA1、SFTPC2和ETV5，并将其命名为AT2B细胞（图2C）。作者还发现AT2B细胞是肺组织中HHIP的主要表达者，且HHIP的表达与AT2B细胞的marker表达显著相关。通过将scRNA-seq数据与GWAS数据进行整合分析，发现AT2B细胞与肺功能或联合数据集都有着极其显著的关联。
图2 COPD上皮细胞和AT2B细胞在COPD发病中的重要性
3、COPD AT2B细胞中代谢和细胞应激反应基因表达的改变
进一步分析AT2B细胞中的基因表达模式，发现COPD肺组织中AT2中的NUPR1表达降低。为了确定NUPR1在患者AT2细胞中表达减少的功能意义，对A549细胞使用香烟烟雾提取物（CSE）进行诱导后，发现NUPR1表达增加，而抑制其表达后，明显发现细胞的死亡敏感性增加。随后，作者筛选了调控细胞死亡的化学抑制剂，通过细胞毒性和活力测定，发现只有去铁胺降低了缺乏NUPR1的A549细胞死亡敏感性，并通过流式结果证明了这一发现。上述结果表明，在COPD的AT2细胞中，NUPR1表达降低，可能会通过影响铁死亡从而增加细胞的死亡敏感性。
图3 COPD中AT2B细胞应激反应异常
4、内皮损伤和炎症的COPD特异性特征
作者接着又转向了内皮细胞的分析，首先鉴定了所有的内皮细胞类型，包括动脉、静脉、淋巴和全身支气管周围内皮细胞，以及两种独特的毛细血管群。作者还发现在多种内皮细胞类型中存在许多重叠的差异表达基因。总而言之，这些发现显示了晚期COPD患者的毛细血管内皮细胞中存在细胞应激反应和炎症反应的独特病理特征。
图4 COPD内皮细胞类型表现出普遍的和细胞类型特异性的转录畸变
5、网络分析确定了内皮CXCL信号在COPD中的关键作用
作者确定了毛细血管内皮是COPD患者肺泡炎症反应的主要原因，基于预测的配受体相互作用预测，构建了细胞通讯网络图。发现成纤维细胞、AT1和AT2细胞在网络中具有较高的连通性，同时通过计算细胞类型输入输出的权重变化，发现权重变化最大的是gCap中CXCL-motif信号通路的增加，并且这一增加现象是在COPD患者中所独有的，在吸烟者的健康对照组中并不存在。同样，在香烟烟雾诱导的小鼠疾病模型中，也发现了CXCL信号通路的增加。随后，为了确定促进gCap中CXCL信号通路增加的特定配受体对，发现输出的CXCL的信号通路的增加主要是由于CXCL12和编码CXCL12相互作用分子的基因(CXCR3,CXCR4)的表达增加，免疫染色结果也同样证明了这一点。综上所述，这些发现表明COPD患者中毛细血管内皮细胞输出CXCL12信号具有重要作用。
研究结论
总的来说，该研究结果提供了COPD肺中肺泡龛的高分辨率单细胞图谱。该图谱发现了COPD中不同上皮细胞、内皮细胞和巨噬细胞群中先前未被发现的基因表达变化和细胞相互作用，突出了COPD中细胞损伤和炎症的复杂性和多样性。未来的研究评估在本文中确定的特定转录异常的结果，将有助于深入了解导致疾病的机制。
参考文献：
Sauler M, McDonough JE, Adams TS, Kothapalli N, Barnthaler T, Werder RB, Schupp JC, Nouws J, Robertson MJ, Coarfa C, Yang T, Chioccioli M, Omote N, Cosme C Jr, Poli S, Ayaub EA, Chu SG, Jensen KH, Gomez JL, Britto CJ, Raredon MSB, Niklason LE, Wilson AA, Timshel PN, Kaminski N, Rosas IO. Characterization of the COPD alveolar niche using single-cell RNA sequencing. Nat Commun. 2022 Jan 25;13(1):494. doi: 10.1038/s41467-022-28062-9. PMID: 35078977; PMCID: PMC8789871.
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