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特發性肺纖維化（Idiopathic Pulmonary Fibrosis，IPF）是一種慢性、進行性和不可逆的肺部疾病，其特征是肺組織逐漸被纖維化組織替代，導致肺功能下降和呼吸困難。盡管近年來在理解IPF病理生理機制方面取得了一些進展，但目前的治療選擇仍然非常有限，且多局限于延緩疾病進展，而無法治愈。IPF的發病機制復雜，涉及多種細胞類型和信號通路的異常變化，包括異常的基質沉積、慢性炎癥反應以及肺泡上皮細胞的損傷和修復失調。

傳統的動物模型，如博萊霉素（bleomycin）誘導的小鼠肺纖維化模型，雖然在一定程度上能夠模擬人類IPF的病理特征，但由于物種間的差異，這些模型在藥物篩選和機制研究中的轉化應用受到限制。因此，開發更為精準的研究工具和方法，以揭示IPF的分子和細胞機制，對于推動新的治療策略至關重要。

空間轉錄組學（spatial transcriptomics，SRT）是一種新興的技術，能夠在組織的空間背景下，分析和定位基因表達情況。這項技術允許研究人員在組織切片上識別不同細胞類型及其相互作用，從而提供比單細胞RNA測序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）更全面的組織結構和功能信息。通過將SRT與scRNA-seq數據整合，研究人員可以更好地理解細胞在組織微環境中的分布和相互作用。

7月1日的Nature Genetics的報道“Mapping spatially resolved transcriptomes in human and mouse pulmonary fibrosis”在該研究中，作者利用SRT技術，生成了人類IPF患者和博萊霉素誘導的小鼠肺纖維化模型的空間轉錄組圖譜。通過這些圖譜，研究揭示了IPF肺中存在的不同纖維化生態位，并詳細描述了這些生態位中細胞類型和信號通路的特征。研究發現，IPF纖維化生態位中的肺泡上皮細胞再生受阻，而在急性纖維化小鼠模型中，則表現為活躍的組織修復。這些發現為IPF的發病機制提供了新的見解，并提出了肺泡再生作為潛在治療策略的前景。

此外，該研究還結合了單細胞RNA測序數據，揭示了與IPF相關的異常細胞狀態和特定細胞群體的分布，包括新的KRT5?/KRT17+異常基底樣（AbBa）上皮細胞群體。這些細胞群體的發現，進一步豐富了我們對IPF病理生理機制的理解，并為未來的研究和治療策略提供了新的靶點和方向。通過深入分析IPF和小鼠纖維化模型中的細胞相互作用和信號傳導途徑，該研究為理解IPF提供了新的視角，并為未來的治療干預提供了重要依據。

特發性肺纖維化（Idiopathic Pulmonary Fibrosis，IPF）是一種嚴重的進行性肺部疾病，特征是肺組織的纖維化，導致呼吸困難和肺功能衰竭。IPF 的病因尚不完全明確，目前的治療方法有限且效果不佳。為了深入理解IPF的發病機制，該研究利用空間轉錄組學（Spatial Transcriptomics，SRT）技術和單細胞RNA測序（Single-cell RNA Sequencing，scRNA-seq）技術，繪制了人類和小鼠肺纖維化模型的基因表達圖譜，從而揭示了纖維化生態位及其相關細胞類型和信號通路的特征。

研究使用了從IPF患者和健康對照（Healthy Controls，HCs）獲取的肺組織樣本，以及博萊霉素（Bleomycin，BLM）誘導的小鼠肺纖維化模型。通過對這些樣本進行空間轉錄組學分析，研究團隊構建了詳細的基因表達圖譜，揭示了IPF患者和小鼠模型中纖維化區域的特征。

人類IPF肺組織樣本來自于接受肺移植手術的患者，而健康肺組織樣本則來自無已知肺部疾病的捐贈者。每位IPF患者提供了三塊不同程度纖維化的組織樣本（分別表示輕度、中度和重度纖維化區域）。這些組織樣本經過新鮮冷凍處理，并使用Visium空間基因表達平臺進行分析。為了保證數據的準確性和完整性，每個樣本產生了255-444百萬條測序讀數，平均每個樣本約349百萬條測序讀數。

研究中每個樣本分析的組織切片平均有約4000個捕獲點（capture spots），每個捕獲點代表組織中一群細胞的轉錄組，平均每個捕獲點檢測到超過1500個獨特基因。

小鼠實驗使用了8周齡的C57BL/6NCrl雌性小鼠，這些小鼠經過5天的適應期后，通過口咽途徑給予博萊霉素或生理鹽水。實驗在給予博萊霉素后第7天和第21天分別收集肺組織樣本，并進行后續的空間轉錄組學和RNA測序分析。每個小鼠樣本產生了151-571百萬條測序讀數，平均每個樣本約325百萬條測序讀數。

人肺纖維化的空間轉錄組學分析（Credit: Nature Genetics）

研究設計和樣本選擇：來自健康對照組(HCs)和特發性肺纖維化患者(IPF)的肺組織樣本切片，使用Visium空間基因表達技術進行分析。每個IPF供體選擇了三個反映纖維化損傷程度不同的組織塊（B1, B2和B3）。

數據處理流程：Visium工作流程和后續數據處理步驟。使用非負矩陣分解(NMF)方法進行降維，生成了30個不同的因子。通過整合Habermann等人發表的單細胞RNA測序(scRNA-seq)數據，推斷細胞類型分布。

數據概述：總結了每個樣本的Visium捕獲點數量和每個點檢測到的獨特基因數量。箱線圖顯示了數據的中位數、四分位數范圍和離群值。

差異表達分析：健康對照組和IPF組之間的偽樣本差異表達分析(DEA)結果，識別出了在條件之間顯著差異表達的基因。

空間分布圖：選定NMF因子的空間分布，這些因子對應于支氣管上皮(F1)、平滑肌(F10)和漿細胞(F6)的組織學和/或轉錄特征。

因子活動與細胞類型密度相關性：NMF因子活動與推斷細胞類型密度之間的皮爾遜相關性熱圖，使用Habermann等人的scRNA-seq數據進行分析，展示了所有樣本中所有點的相關性。

病理學注釋：提供了每個健康對照組和IPF組織塊的組織切片的病理學注釋基于H&E染色的Visium切片。通過可視化空間NMF活動和推斷的細胞類型密度，展示了高度相關的因子-細胞對的共定位。

通過空間轉錄組學分析，研究團隊生成了IPF患者和小鼠肺纖維化模型的基因表達圖譜。這些圖譜揭示了IPF肺中的不同纖維化生態位，并詳細描述了這些生態位中細胞類型和信號通路的特征。

在IPF患者的肺組織樣本中，研究人員發現了顯著的基因表達差異。偽批量差異表達分析（Pseudobulk Differential Expression Analysis，DEA）鑒定出了1469個在IPF和健康對照之間差異顯著的基因，這些基因與成纖維細胞相關，并且在先前研究中已被報道在IPF中上調，包括FNDC1、COL10A1和THY1等基因。

這些差異主要集中在纖維化區域（Fibroblastic Foci，FF）周圍，且KRT5?/KRT17+異常基底樣（Aberrant Basaloid，AbBa）上皮細胞密度較高。這些細胞群體與纖維化活動高度相關，表明其在IPF進展中可能扮演重要角色。在一些樣本中，還觀察到了基質金屬蛋白酶（Matrix Metalloproteinases）和參與IPF相關信號通路的基因（如SFRP2、WNT10A和TGFBI）的上調。

在博萊霉素誘導的小鼠模型中，研究發現急性纖維化階段（第7天）和慢性纖維化階段（第21天）有顯著的基因表達變化。第7天的樣本顯示出活躍的組織修復和炎癥反應，而第21天的樣本則顯示出持續的纖維化和基質重塑。差異表達分析鑒定出第7天有3214個差異基因，第21天有3787個差異基因。

小鼠和人類肺纖維化的比較空間分析（Credit: Nature Genetics）

研究設計和樣本選擇：小鼠博來霉素(BLM)誘導肺纖維化模型的研究設計，包括在第7天(d7)和第21天(d21)分別收集博來霉素和生理鹽水處理的小鼠肺樣本。選擇這些時間點是為了涵蓋急性炎癥和早期纖維化階段(d7)，以及已建立的纖維化階段(d21)。

數據生成和分析：健康對照組和纖維化區域的差異表達基因(DEGs)分析結果，比較了小鼠模型和人類IPF樣本中的DEGs。結果顯示，有多達178個基因在小鼠和人類IPF纖維化區域之間重疊，但其中有八個基因在表達方向上表現出相反的變化，提示這些基因在兩種模型中的功能可能不同。

細胞類型解卷積和空間可視化：通過單細胞RNA測序數據對小鼠肺纖維化樣本進行細胞類型解卷積和空間可視化的結果。顯示了在健康肺泡組織中推斷的細胞類型分布，主要包括肺泡上皮細胞。

細胞類型密度變化：BLM處理和生理鹽水對照組之間細胞類型密度的顯著差異，包括解析(M2極化)巨噬細胞和Krt8+肺泡分化中間細胞(ADI細胞)。第7天時AT2細胞數量減少，但到第21天顯示出恢復的趨勢。第7天時促炎巨噬細胞的涌入在第21天時恢復正常，確認了急性炎癥的解決。

動態肺組織重塑：小鼠肺組織在BLM損傷后進行的動態空間細胞類型分區分析。在生理鹽水對照組肺中，鑒定了由支氣管上皮(A)和肺泡(B)組織組成的兩個區，標志著未受損的肺結構。在第7天BLM處理的小鼠肺中，識別出由支氣管上皮(C)、肺泡上皮和肺泡毛細血管內皮(D)、以及由成纖維細胞和肌成纖維細胞標記的重塑肺泡組織(E)組成的突出細胞密度區域。到第21天，這些區的細胞組成發生了變化，除了支氣管上皮(F)和纖維化重塑的肺泡組織(G)外，還包括充滿炎癥細胞和結構重塑的區域。

纖維化小鼠肺中細胞類型的動態變化：小鼠肺組織中不同時間點（d7和d21）的細胞類型的動態變化。主要展示了肺泡上皮細胞、成纖維細胞、巨噬細胞和肌成纖維細胞的分布和數量變化。結果顯示，在d7時，小鼠肺組織中成纖維細胞和促炎巨噬細胞顯著增加，表明急性炎癥反應。在d21時，成纖維細胞和巨噬細胞的數量有所減少，但仍高于對照組，表明纖維化進程仍在進行。

空間轉錄組學揭示的基因表達變化：小鼠肺纖維化過程中不同時間點的特定基因表達變化。主要展示了與細胞外基質(ECM)重塑、炎癥和纖維化相關的基因表達水平。結果顯示，在d7時，MMP12、POSTN和COL1A1等基因的表達顯著增加，這些基因與ECM重塑和纖維化密切相關。到d21時，這些基因的表達水平有所下降，但仍高于對照組，表明纖維化過程中的基因表達動態變化。

人IPF和小鼠模型之間的比較分析：人IPF樣本和小鼠BLM模型之間在特定基因表達和細胞類型分布上的比較分析。主要展示了兩者在基因表達模式和細胞類型上的相似性和差異。結果顯示，一些關鍵基因如COL1A1和FN1在IPF和小鼠纖維化區域中都顯著上調，表明這些基因在纖維化過程中的重要作用。同時，一些基因在兩者之間的表達模式有所不同，提示人類IPF和小鼠模型在纖維化機制上存在一定的差異。

研究還通過單細胞RNA測序數據，揭示了與IPF相關的細胞狀態，包括異常的上皮細胞、成纖維細胞和促纖維化肺泡巨噬細胞。還鑒定出一種新的KRT5?/KRT17+異常基底樣上皮細胞群體，這些細胞表達上皮、基底和間充質標志物以及與衰老和細胞外基質（Extracellular Matrix，ECM）產生相關的基因。盡管這些細胞可能源自肺泡II型細胞（Alveolar Type 2，AT2）或Clara細胞，但它們在纖維化微環境中的角色仍不清楚。

在研究中發現，IPF肺纖維化生態位中，轉化生長因子β（Transforming Growth Factor Beta，TGF-β）信號通路占主導地位，并伴有TP53和APOE等預測調控因子。同時，還觀察到肺泡上皮細胞的再生受阻，與急性纖維化小鼠模型中的活躍組織修復形成鮮明對比。

該研究通過空間轉錄組學和單細胞RNA測序技術，詳細描繪了IPF和小鼠肺纖維化模型中的細胞相互作用和信號傳導途徑，揭示了關鍵的趨同和分歧路徑。這些發現為我們提供了對IPF細胞相互作用的深入理解，并提出了肺泡再生作為IPF潛在治療策略的前景。未來的研究可進一步探討KRT5?/KRT17+異常基底樣上皮細胞在IPF中的具體功能及其調控機制。此外，研究還可關注不同纖維化階段的細胞相互作用和信號傳導變化，以期為IPF的治療提供新的靶點和策略。