空转数据分析之关于细胞空间邻近的分析文章总结

作者，Evil Genius

年也过完了，该收心好好上班了，这一篇我们来总结一下空间转录组细胞空间临近的一些文章用法及意义，之前说了很多了，但是没有系统的总结，我们专门拿出这一部分来总结一下。

文章Identification of HSC/MPP expansion units in fetal liver by single-cell spatiotemporal transcriptomics 期刊：Cell Research（IF=25.617） 发表时间：2021年8月 细胞临近的研究:为了确定细胞间相互作用的结构基础，作者将HSCs/MPPs spots定义为内点（intra）， 内点周围一圈spots为近端点（inter）， 其他spots为远端点(distant)，然后根据富集得分来识别各个spots的细胞类型（富集得分最高）。除了HSCs/MPPs外，内点得分最高的是EC，与HSCs/MPPs接近；肝母细胞和基质细胞分别在近端点和远端点中得分最高；巨噬细胞在内点和近端点中的得分高于远端点中的得分，因此巨噬细胞可以考虑是一种新的niche cell。为了量化比较HSCs/MPPs与其他niche cell之间的相互作用 ，作者定义了富集倍数的概念：即每一种spot类型富集打分的中位值与全部spots富集打分中位值的比值。结果发现，巨噬细胞在内点的富集倍数是11.52，在近端点的富集倍数是1.31；EC在内点的富集倍数是1.62；而肝母细胞和基质细胞的富集程度更低 。综上所述，巨噬细胞是与HSCs/MPPs关系最密切的重要生态位细胞。 在分子水平，作者使用CellPhoneDB分析来预测相互作用信号的空间表达，结果发现一些基因编码的配体基因在内点和近端点中高表达，而对应的受体在HSCs/MPPs定位的spots中高表达，说明空间邻近促进了信号的相互作用，从而在功能上支持HSCs/MPPs的扩增。鉴于内点和近端点具有空间临近和相互作用信号丰富的特点， 作者将其定义为扩增单元，其中HSCs/MPPs位于spots的核心，与周围的niche cell spots相互作用。

文章Identification of early neurodegenerative pathways in progressive multiple sclerosis 期刊：Nature Neuroscience（IF=28.771） 发表时间：2022年7月 神经退行性变的早期细胞间通讯：为了将多组学验证的疾病途径与细胞间通讯联系起来，研究人员需要确定随着神经退行性变而改变的配体-受体对情况。他们评估了灰质斑点转录组中1396个治疗配体-受体对的表达水平，获得了从空间尺度解析的428个配体-受体相互作用的表达数据。接着，为了确定MS神经退行性变早期细胞间通讯的机制，他们使用先前发表的生物学功能注释了每个配体-受体对的相互作用，其中最主要的相互作用是抗炎相互作用(所有候选相互作用的25%，定义为免疫抑制)、促炎相互作用(25%，定义为促进免疫反应)和营养相互作用(31%，定义为促进发育、增殖或细胞存活的生长因子)。通过比较MS患者和对照组的配体-受体的相互作用情况，发现患者早期神经元衰退区域内的营养和抗炎细胞间通讯丢失。进一步地，研究人员在动物模型中验证相关靶基因在中枢神经系统损伤中的作用，研究证实了患者样本中与神经元损伤相关蛋白质具有与已发表的体内敲低和中枢神经系统(CNS)疾病模型一致的表型。

文章Single-cell spatial immune landscapes of primary and metastatic brain tumours 期刊：Nature（IF=36.101） 发表时间：2023年1月 为了解肿瘤内的多细胞结构与空间信息，研究者以胶质母细胞瘤数据集作为模型，比较了胶质母细胞瘤和BRM之间的多细胞相互作用。正如预期的那样，胶质母细胞瘤主要由CN3和CN4（星形胶质细胞富集），而BRM核心富集CN8（肿瘤隔室），反映了与转移性肿瘤相比胶质瘤的浸润性。另外，研究者还发现了一个与长期生存相关的独特的巨噬细胞富集邻域，这在该疾病中是罕见的。这些都表明了巨噬细胞的空间关系可能包含了重要的预后信息。 最后，为了深入了解肿瘤结构和临床相关性，研究者比较了髓过氧化物酶MPO类别中主要免疫谱系之间的空间相互作用，发现组织驻留巨噬细胞与单核细胞衍生巨噬细胞的动力学可能对肿瘤生物学有明显影响，随着MPO+巨噬细胞密度的变化，TME组成的逐渐变化。更具体地，研究者使用平衡胶质母细胞瘤队列证实了MPO+CD163−P2Y12−CD68+巨噬细胞水平的增加与生存期延长相关。MPO与IBA1的组合足以证实双阳性细胞频率高的患者的存活时间显著延长. 总而言之，该研究揭示了与胶质母细胞瘤患者存活相关的细胞邻域，确定了髓过氧化物酶（MPO）阳性巨噬细胞的独特群体，表征了原发肿瘤和不同实体癌脑转移之间免疫景观的差异，以空间分辨率与单细胞分析整合的形式为肿瘤微环境研究提供了生物学见解。

文章Spatial multi-omic map of human myocardial infarction 期刊：Nature（IF=36.101） 发表时间：2022年8月 作者对空间转录组所有样本spots的细胞组成类型采用无监督聚类，鉴定得到了9个细胞类群并定义为主要的细胞类型生态位（niches），并通过将这些niches在空间中可视化，发现一些niches与所在的样本状况非常相近，例如niche 8在对照样本玻片平均分布，而niche 5则定位于缺血区域的特定位置（图2b）。然后作者在所有niches中检测了来自于snRNA-seq的细胞类型注释信息，并观察到了4个肌源性细胞niches（1, 7, 8, 9），其中主要包含心肌细胞、内皮细胞和周细胞，以及1个纤维化细胞niche（niche 4），其中主要包含成纤维细胞、髓样细胞和淋巴细胞，和1个炎症细胞niche（niche 5）。niche 4包含更高比例的成纤维细胞，而niche 5则包含更高比例的髓样细胞和淋巴细胞。最后，作者还观察到了跟部分罕见细胞类型关联的niches，例如，血管平滑肌细胞与niche 3和6，脂肪细胞、淋巴细胞和周期细胞与niche 2等等。 为了探究spots内主要细胞类型的丰度是否可以用附近空间背景中的细胞类型组成进行预测，作者使用MISTy评估了三种不同相邻区域其它细胞类型的重要性（importance）：（1）在同一个spot中；（2）在邻近区域（半径为1个spot）；（3）在延伸区域（半径为15个spots）。作者观察到内皮细胞对其所有spots内的vSMC，周细胞，脂肪细胞和心肌细胞的丰度最具预测性，可能反映了脉管系统细胞类型之间的依赖性(图2d)。淋巴细胞和髓样细胞表现出强烈的相互依赖性，与免疫细胞浸润和炎症的区域一致ーー类似地被niche 5捕获。此外，作者还观察到髓样细胞和成纤维细胞之间的强烈依赖性，二者在niche 4中强烈共富集。

评估应激心肌细胞状态 vCM3在每个空间spot以及相邻区域（半径为5个spots）内与其他细胞类型的依赖性.

在空间转录组中，作者模拟了不同内皮细胞亚型与其他主要细胞类型丰度之间的关系，并观察到 在单个spot内和邻近区域（半径为5个spots）vSMC是预测动脉内皮细胞的最优标志物，反映了心脏中动脉和小动脉的解剖结构。

文章Tertiary lymphoid structures generate and propagate anti-tumor antibody-producing plasma cells in renal cell cancer 期刊：Immunity（IF=43.474） 发表时间：2022年3月 研究内容:免疫球蛋白（Ig）基因的空间表达特征 为了确定TLS在肿瘤中的转录特征，作者在TLS和肿瘤区域进行了差异表达基因分析。通过交叉验证一共鉴定到了包括12种免疫球蛋白基因、5个B细胞标记基因、2个T细胞标记基因、2个成纤维细胞标记基因、2个补体蛋白编码基因等29个基因在TLS结构特异性表达。且以上基因在冷冻肿瘤样本与FFPE肿瘤样本都得到了验证。 Ig和B细胞相关基因在TLS区域中表达促使作者后续实验重点研究了B细胞。首先作者探究了TLS中不同的B细胞亚型。作者发现原始B细胞相关基因很少表达，尽管与TLS显著相关，且FCRL4+记忆B细胞、GC B细胞和浆母细胞特征与TLS密切相关。PC相关基因MZB1在TLS中表达较高，在肿瘤区域整体表达较低，这也在FFPE肿瘤中发现了类似的结果。然而，在肿瘤内不同位置发现了大量弥散的、距离TLS较远的MZB1表达。MZB1是浆细胞特征的一部分，在PCs中高表达。由于浆细胞局限于TLS区域，且在TLS外发现MZB1的高表达，很可能表达MZB1的PC不仅存在于TLS中，而且存在于肿瘤细胞中。由于PCs的主要功能是产生抗体，因此作者分析了免疫球蛋白基因的空间表达。IGHM几乎只在TLS区域表达，加强了TLS中非交换B细胞的存在，而IGHG1、IGHA1和pan Ig基因在TLS区域高表达，但在肿瘤中也有远距离表达。IGHG1和IGHA1的表达结果表明，同型转换的PCs已经在TLS中形成，并在远端肿瘤细胞群体中扩散开来。 由于有报道称CXCL12和PC在骨髓，淋巴髓带和慢性炎症组织中与迁移和保留有关，作者分析了CXCL12的表达，发现它与MZB1共定位。作者为了进一步评估这些基因表达之间的空间共存特征。结果表明TLS特征与MZB1、成纤维细胞和CXCL12的共定位，还证实了成纤维细胞与CXCL12的共定位，MZB1与成纤维细胞的共定位，MZB1与CXCL12在TLS较远位置共定位距离。并且这一结果也在其他TLS+肿瘤样本被证实，而在TLS-肿瘤中没有显示。综上，在TLS+肿瘤中，表达IGHG1和IGHA1的PC存在于TLS附近，并可能与成纤维细胞具有互作关系在肿瘤内扩散。

文章Effect of the intratumoral microbiota on spatial and cellular heterogeneity in cancer 期刊：Nature（IF=36.101） 发表时间：2022年11月 研究内容:微生物定殖的瘤内生态位 鉴于肿瘤内微生物群在单个肿瘤组织内具有异质性分布，该研究团队试图确定这种空间分布是否与TME内的不同功能相关。通过GeoMx数字空间分布（DSP）平台，作者采用靶向方法，量化了77种与抗肿瘤免疫和癌症进展相关的蛋白质的表达谱。实施分段分析以丰富从感兴趣组织区域（AOI）内的免疫或上皮癌细胞室提取的蛋白质数据，通过RNAscope–显色原位杂交（RNAscope CISH）将其标记为细菌阳性或阴性。在两种OSCC的CD45+免疫室中（DSP队列1；n = 8名患者）和CRC（DSP队列2；n = 10名患者）肿瘤，细菌存在于高度免疫抑制的微核细胞中，其特征是成熟CD66b+髓系细胞的富集以及免疫抑制分子ARG1（精氨酸酶1）和免疫检查点蛋白CTLA4（细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4）的上调。 此外，在两种癌症类型中，他们检测到磷酸化ERK1和ERK2的水平增加，这表明针对肿瘤内细菌的髓系反应可能通过激活MAPK信号通路发生。在OSCC肿瘤中，与样本中的细菌阴性区域相比，细菌阳性的微小肿瘤中T细胞抑制受体PD-1过度表达。这对应于OSCC和CRC癌组织中T细胞标记物（如CD3、CD8、CD4、CD27和CD44）的相对下调，以及增殖标记物Ki-67的表达减少，并表明T细胞被排除在这两种胃肠道癌的细菌定殖区。

当然了，空间细胞定位的研究远不止这些，我这里列举几个，一方面强调空间研究的中细胞临近的重要性，另一方面也希望引起大家足够的重视，实现空间细胞临近关系的方法在10X空间转录组数据分析之细胞的空间依赖性。

最后总结一下：

1、组织都是有序的系统，细胞之间的相互距离是其有序性的体现 2、空间细胞的交流是有距离限制的，通常认为在200um的范围内。 3、空间细胞的共定位是细胞之间相互需要的结果。 4、空间上细胞的位置错乱是引起疾病的重要原因之一，尤其在分析肿瘤异质性的时候。 5、空间位置上的细胞临近关系，往往存在1 + 1的小团伙共同起作用，实现1 + 1 > 2 的生物学作用。 6、空间位置上细胞之间的手拉手关系也受到各种调节，相互作用后改变自身的形态，在研究区域的细胞差异的时候，手拉手的关系尤其重要。

当然了，生活很好，有你更好，不要抄袭，认认真真搞科研。