單細胞空間多組學(xué)技術(shù)描繪人類乳腺細胞圖譜
人類細胞圖譜計劃（Human Cell Atlas，HCA）旨在描述人體中每個細胞（約37萬億個）的詳細特征，呈現(xiàn)不同類型細胞在人體組織的三維結(jié)構(gòu)，勾勒他們在人體系統(tǒng)內(nèi)的聯(lián)系，揭示圖譜變化與健康和疾病的關(guān)系。
近日，HCA分支的人類乳腺細胞圖譜（HBCA）項目出現(xiàn)了新進展，結(jié)果發(fā)表在Nature（IF=69.504)雜志上，題為“A spatially resolved single cell genomic atlas of the adult human breast”。 該研究構(gòu)建了單細胞和空間分辨率的綜合人類乳腺細胞圖譜（HBCA），并且從空間生物學(xué)角度解析了乳腺組織中各種細胞亞群之間的關(guān)系，這為專家研究乳房相關(guān)疾病提供了詳細的單細胞空間多組學(xué)信息。
成人乳房的解剖結(jié)構(gòu)和病理 H&E 展示，下半部分顯示了主要細胞類型
人類乳房是頂泌器官，在懷孕后產(chǎn)生乳汁滋養(yǎng)嬰兒方面發(fā)揮著重要的生理作用。這種腺體功能是由上皮系統(tǒng)介導(dǎo)的，該系統(tǒng)由高度分支的小葉單位組成，產(chǎn)生的乳汁通過復(fù)雜的導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)運輸。乳腺上皮系統(tǒng)嵌入富含脂肪的組織中，周圍是致密的脈管系統(tǒng)和淋巴管網(wǎng)，直接與區(qū)域淋巴結(jié)相連。人類乳腺組織由四個主要空間區(qū)域組成：1) 終末導(dǎo)管小葉單位 (TDLU) 和致密的分支上皮小葉，2) 大部分為雙層上皮的管狀導(dǎo)管，3) 富含細胞外基質(zhì) (ECM)結(jié)締組織，4）富含脂肪的區(qū)域。以前的研究主要集中在上皮細胞的特征上，許多非上皮細胞類型仍未得到充分研究。
HBCA 項目的概述和工作流程
研究者使用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序（10x Genomics）分析了62 名女性的 535,941 個細胞和 20 名女性的 120,024 個細胞核（為了探究脂肪細胞的異質(zhì)性），確認了乳腺組織中主要的細胞類型。接下來，作者使用兩種空間組學(xué)技術(shù)（ST, 10x Genomics和smFISH）和CODEX（Akoya空間單細胞蛋白組技術(shù)）檢測乳腺組織中各種細胞亞群的空間分布情況。研究者還進行了空間鄰域分析（見下圖g，l），結(jié)果表明，乳腺上皮細胞和非上皮細胞之間存在緊密的空間相關(guān)性。隨后，研究者分別研究了上皮細胞和非上皮細胞的分布特征。
g，來自 12 個組織的 smFISH 數(shù)據(jù)中細胞類型的空間共定位，其中節(jié)點大小代表細胞數(shù)量，邊緣寬度代表共定位的概率。l，來自 4 個組織的 CODEX 數(shù)據(jù)中分段細胞類型的空間共定位圖。
在研究者對乳腺上皮細胞的分析中，主要分析了他們在前期研究中鑒定的三種主要細胞類型：基細胞（Basal）、激素反應(yīng)型腔細胞（LumHR）和分泌型腔細胞（LumSec）。研究者定義了LumHR細胞的3種亞群和LumSec細胞的5種亞群。另外，研究者還在導(dǎo)管區(qū)域和小葉區(qū)域通過空間多組學(xué)檢測確定了幾種乳腺上皮細胞的空間分布規(guī)律，完成了乳腺上皮細胞的空間圖譜。
o，來自 P66 的 CODEX 數(shù)據(jù)顯示用 PCNA 標記的導(dǎo)管和小葉中的增殖細胞。r，smFISH 數(shù)據(jù)（P46-S1 和 P46-S4）顯示在導(dǎo)管和小葉區(qū)域特異性表達的基因。
構(gòu)建圖譜必然需要全面解析組織中各類細胞類型，但以往研究者們往往忽略乳腺組織中的非上皮細胞。在本研究中，研究者發(fā)現(xiàn)這些細胞不僅在乳腺組織中占有較高比例，且與乳腺上皮細胞存在顯著的空間相關(guān)性。研究者在解析乳腺組織中免疫細胞的過程中發(fā)現(xiàn)：其呈現(xiàn)出非常豐富的異質(zhì)性。T細胞和NK細胞有14種亞群；B細胞有5種亞群；髓系細胞有12種亞群。隨后，研究者在乳腺組織的不同分區(qū)中用空間技術(shù)檢測了免疫細胞的空間分布。
研究者也對乳腺組織中的成纖維細胞、脂肪細胞、血管內(nèi)皮細胞、淋巴內(nèi)皮細胞和周細胞進行了空間生物學(xué)解析，詳細地描繪出乳腺組織中各類細胞亞型與他們空間分布關(guān)系的圖譜。最后，研究者還對比了不同患者的年齡、絕經(jīng)狀態(tài)、體重、更年期等多個生理狀態(tài)的樣本之間的細胞異質(zhì)性，這豐富了研究者構(gòu)建的這個圖譜中的異質(zhì)性參數(shù)。
結(jié)論：
研究者使用單細胞空間多組學(xué)技術(shù)對人類乳腺組織微環(huán)境進行了解析，不僅對更多細胞類型進行了研究，也從空間層面上解析了各細胞亞型之間的位置關(guān)系和空間聯(lián)系，從而構(gòu)建了人類乳腺細胞圖譜。這些數(shù)據(jù)為研究乳腺生物學(xué)和乳腺相關(guān)疾病提供了人類乳腺組織的參考。
