在过去十年中，技术的快速改进不仅使得单细胞数据集的规模和数量得到迅速的增长，还促进了我们对人体组织的理解。然而，大多数单细胞数据研究通常只捕获有限数量的供体，而且由于实验方案和技术的选择，大部分研究都存在一定数据偏好性。这种偏好性会因缺乏样本的足够规模和数据多样性而导致研究中存在局限性。
2023年6月8日，德国慕尼黑亥姆霍兹中心的Fabian J. Theis教授团队在Nature Medicine杂志上发表了一篇题为 An integrated cell atlas of the lung in health and disease 的研究论文。在该研究中，作者收集众多已发布的人肺单细胞数据集，建立了一个集成的涵盖上呼吸道和下呼吸道的人类呼吸系统单细胞转录组图谱（HLCA）。该HLCA囊括了来自486个供体的49个数据集数据，共包括240万个细胞，并基于作者的归一化整合及重新注释生成了完整且统一的细胞类型数据参考图谱。作者最终基于HLCA的参考，鉴定了SPP1+成纤维细胞样单核细胞(monocyte-derived macrophages)是COVID-19、肺纤维化和肺癌中都存在的共享特征细胞群。
01 数据整合建立HLCA
为了建立人类呼吸系统单细胞转录组图谱（HLCA），作者从14个数据集（11个已发表，3个未发表）中收集了单细胞转录组测序（scRNA-seq）数据。该整合的数据集源于107个供体的样本，数据的产生策略不仅涵盖了在年龄、性别、种族、体重指数和吸烟状况方面的多样性，还建立于不同的组织供体、取样方法、实验方案和测序平台的多种策略。为了实现数据整合和下游一体化分析，作者通过建立一个五级分层的细胞身份参考框架来统一细胞类型的识别。然后，将每个数据集的细胞特征标签映射到分级参考框架，以此来统一各数据集的细胞类型标签，并显示出每个样本不同的细胞类型比例。为了以最佳方式消除特定数据集的批次效应，作者评估了多种数据整合方法并选择了性能表现最佳的scANVI对收集到的数据集（584,444个细胞）进行整合以构建HLCA。
02 HLCA 为了解疾病提供了重要的参考背景
为了验证 HLCA 作为综合健康对照和疾病数据背景的能力，作者引入额外的肺癌样本 scRNA-seq 数据来探究 HLCA 的疾病研究参考作用（该肺癌研究的一项发现是将内皮细胞根据功能细分为肿瘤相关细胞和正常细胞）。将该外部数据集映射到 HLCA 后，作者发现原研究鉴定的肿瘤相关标志物ACKR1在 HLCA 中的健康静脉内皮细胞广泛表达，这表明ACKR1很可能是静脉内皮细胞的一般标志物，而不是肿瘤特异性内皮细胞标记物。作者认为，这是由于原研究中的内皮细胞数量较少，在缺乏充足的参照数据下很难正确识别和区分疾病组的细胞类型。因此，HLCA的建立可为后续研究奠定基础，即作为一个全面的健康对照以避免由于取样或实验设计的局限性而导致的假阳性。
03 HLCA揭示出疾病中常见的异常细胞状态
除了作为可靠的健康对照图谱外，HLCA还包含十多种肺部疾病的数据，为发现不同疾病的共同细胞状态奠定基础。例如，已报道的在COVID-19、特发性肺纤维化（IPF）和癌症嗜纤维化中存在的SPP1+单核细胞衍生巨噬细胞群体（MDMs）。为了检验 HLCA 能否同样鉴定到同样的 MDM 群体，作者对 HLCA 中的所有 MDM 进行了聚类，发现了四种主要的 MDM 亚型，每种亚型都代表了单核细胞到 MDM 的不同分化阶段以及对疾病微环境的适应。这项分析表明，HLCA 可以让人们更好地了解不同疾病之间共有的细胞状态，从而有可能加快发现有效的疾病治疗方法。
结论和意义
综上，该研究建立的HLCA提供了一个规模空前的单细胞参考图谱，为在人类细胞图谱中为其他器官建立综合的大群体规模的图谱提供了一个示范框架，为更好、更全面地了解人类肺部的健康和疾病铺平了道路。
参考文献：
Sikkema L, Ramírez-Suástegui C, Strobl DC, Gillett TE, Zappia L, Madissoon E, Markov NS, Zaragosi LE, Ji Y, Ansari M, Arguel MJ, Apperloo L, Banchero M, Bécavin C, Berg M, Chichelnitskiy E, Chung MI, Collin A, Gay ACA, Gote-Schniering J, Hooshiar Kashani B, Inecik K, Jain M, Kapellos TS, Kole TM, Leroy S, Mayr CH, Oliver AJ, von Papen M, Peter L, Taylor CJ, Walzthoeni T, Xu C, Bui LT, De Donno C, Dony L, Faiz A, Guo M, Gutierrez AJ, Heumos L, Huang N, Ibarra IL, Jackson ND, Kadur Lakshminarasimha Murthy P, Lotfollahi M, Tabib T, Talavera-López C, Travaglini KJ, Wilbrey-Clark A, Worlock KB, Yoshida M; Lung Biological Network Consortium; van den Berge M, Bossé Y, Desai TJ, Eickelberg O, Kaminski N, Krasnow MA, Lafyatis R, Nikolic MZ, Powell JE, Rajagopal J, Rojas M, Rozenblatt-Rosen O, Seibold MA, Sheppard D, Shepherd DP, Sin DD, Timens W, Tsankov AM, Whitsett J, Xu Y, Banovich NE, Barbry P, Duong TE, Falk CS, Meyer KB, Kropski JA, Pe'er D, Schiller HB, Tata PR, Schultze JL, Teichmann SA, Misharin AV, Nawijn MC, Luecken MD, Theis FJ. An integrated cell atlas of the lung in health and disease. Nat Med. 2023 Jun;29(6):1563-1577. doi: 10.1038/s41591-023-02327-2. Epub 2023 Jun 8. PMID: 37291214; PMCID: PMC10287567.
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