编译：Echo，编辑：十九、江舜尧。
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导读
纤维化是各种因素（生物因素、化学因素、物理因素等）损伤作用下导致细胞外基质的异常合成增加和（或）降解不足所引起的病理过程，是全球医疗卫生系统的主要负担之一。尽管我们对纤维化机制的探寻有一定程度的研究进展，但纤维化患者的治疗选择手段仍然非常有限。然而，在迅猛发展的单细胞转录组领域中，使得在纤维化情况下对单个致病细胞群进行详细而深入的分析研究得到了有力的支持。本篇综述将从单细胞转录组角度阐述对纤维化发病机制的理解，以及这些先进的技术手段如何精准识别新的、相关的和潜在的药物治疗靶点来治疗纤维化患者。原名：Unravelling fibrosis using single-cell transcriptomics
译名：利用单细胞转录组解决纤维化
期刊：Current Opinion in Pharmacology
发表时间：2019.10.25
影响因子：5.203
通讯作者：Neil C Henderson
通讯作者单位：爱丁堡大学
DOI号：10.1016/j.coph.2019.09.004
纤维化主要表现为细胞外基质的过度积累，呈现全球范围内高水平的发病率和死亡率。尽管对调控这一过程的细胞和分子机制的理解有一些研究，但治疗纤维化的手段仍然非常有限。然而，单细胞RNA测序（scRNA-seq）对纤维化中单个致病细胞群提供了前所未有的高分辨率（如图1所示）。利用scRNA-seq揭示新的细胞类型和状态不仅极大地促进了我们对疾病潜在机制的了解，而且还加速了对新的、高度相关的和潜在的药物治疗靶点的精确识别。
图1：使用单细胞转录组方法解决细胞状态、亚群、分化动态和细胞间相互作用肺纤维化的发生和发展是由多种细胞系之间复杂的相互作用所驱动的，考虑到巨噬细胞在调节包括器官纤维化在内的许多病理过程中的重要性，scRNA-seq特别适合在肺纤维化中对这种细胞类型的进一步研究。Chakarov等人证实了scRNA-seq巨噬细胞异质性研究方面的应用价值。在健康小鼠肺间质中根据不同的转录情况确定了两种间质巨噬细胞类型，分别为Lyve1loMHCIIhi和Lyve1hiMHCIIlo。有趣的是，间质巨噬细胞的这种二分法在包括小鼠心脏、脂肪、真皮和人类肺脏在内的多种组织中都是相对保守的。在肺纤维化过程中，间充质细胞负责细胞外基质的生成，最终导致肺内结构的破坏和肺功能的下降。评估博来霉素诱导的纤维化小鼠肺间充质细胞的研究发现了广泛的细胞异质性，但结论略有不同，这些可能是继发于肺损伤持续时间、细胞分离技术和分析方法所带来的差异。scRNA-seq研究在人类肺脏中也有相关研究报道，Reyfman等人提供了首个人类肺纤维化的单细胞图谱，并对其分析来自8例不同病因的肺纤维化患者和8例健康的对照肺样本的70000个细胞。此外，他们还发现了一种由单核细胞来源的促纤维化肺泡巨噬细胞的损伤特异性分群，这种细胞此前在小鼠中已被发现。本研究还强调，临床支气管镜检查时获得的肺组织在scRNA-seq技术层面上是可行的，提示scRNAseq方法在肺纤维化的诊断和治疗反应监测中有着很好的临床应用前景。近年来，越来越多的证据表明上皮细胞在肺纤维形成中起着重要的调节作用，为了显示人类纤维化肺上皮异质性的变化，Xu等人对3例对照和6例特发性肺纤维化患者样本进行了scRNA-seq分析。他们发现肺上皮细胞发生了显著变化，包括发现了非典型“不确定”细胞的损伤特异性分群，这些细胞不表达与任何已知肺上皮细胞亚型的标志基因。肝纤维化是慢性肝损伤受损组织修复的结果，其可发展为肝功能失常的肝硬化，甚至肝癌。纤维化的有效干预治疗有助于降低肝硬化和肝癌的发生率。肝纤维化的具体表现为肝内细胞外基质的过度沉积，其中肝星状细胞是肝纤维化细胞外基质的主要来源。迄今为止，肝脏的scRNA-seq主要研究肝内环境稳定过程中细胞结构的特征。Halpern等人利用scRNA- seq和标志基因在小鼠肝小叶上进行特有的肝细胞亚群的划分。挑战传统的将肝脏分为门静脉周围区和中心周围区的二分法，他们发现中间小叶可能具有特殊功能。这些关键的发现已经被其他实验室在小鼠和人类肝脏中得到证实。进一步的研究表明，Halpern等人利用了从他们以前肝细胞分区的工作中和一种配对细胞测序的新技术获取的空间信息。肝脏的许多病理状态表现出区域性和空间多样性，然而区域的划分在疾病发生和发展中的作用仍不清楚。在未来几年，单细胞转录组很可能将开始阐明细胞水平的区域划分在肝脏疾病中的作用。尽管研究者利用啮齿动物模型对肝脏纤维形成机制的理解取得一些进展，但是潜在的治疗靶点和有效的治疗方法之间仍存在明显的转化难题。迄今为止，已有两项全面的人肝脏scRNA-seq研究，MacParland等人对从5个健康人体肝脏中获得的8000多个实质细胞和非实质细胞进行了转录组研究，绘制成一张由20个离散细胞亚群组成的细胞图谱，他们描述人类肝脏巨噬细胞的异质性，确定了两种不同的分群——促炎的巨噬细胞和Kupffer细胞，它们都具有更多的免疫调节表型，类似的巨噬细胞分群在其他人类研究中也有研究报道。值得注意的是，McParland等人强调，组织制备方法可能对在转录水平阐明肝细胞分群的能力产生很大影响。在另外一项人类肝脏scRNA-seq研究中，Aizarani等人使用了另一种方法[扩散伪时间（diffusion pseudo-time, dpt）]进行人类肝脏中肝细胞和内皮细胞的功能分区。他们只发现了有限的基因表达的进化保守，再次强调了小鼠和人类生物学的重要区别。自从scRNA-seq问世以来，已经有许多研究报道了肾脏在发育、稳态、癌症和纤维化的细胞组分。肾脏scRNA-seq的应用突出显示了该技术在肾脏疾病发病机制研究中的独特优势。Park等人绘制了健康小鼠肾脏的单细胞图谱，通过与大鼠RNA-seq肾脏数据、人类和转基因小鼠免疫细胞微阵列数据的相关性分析，他们能够为18个已知的肾脏细胞分群提供分子定义，并提供三种新的细胞类型。事实上，纤维化是所有慢性肾损伤的共同病理过程之一，尽管人们普遍认为肌成纤维细胞是肾脏中产生疤痕的主要细胞，但其细胞来源仍饱受争议。Kramann等人利用异体共生模型证明，只有一小部分肌成纤维细胞来自循环细胞。尽管在使用scRNA-seq了解疾病发病机制方面已经取得了巨大的进展，但在使用该技术时仍有许多因素需要仔细考虑。这些包括由于细胞脆弱和（或）在组织分离过程中难以获得特定细胞类型而导致的某些细胞类型的低表达；由于长时间分离而导致的细胞应激产物的引入；以致无法高质量的获取用于scRNA-seq的细胞。单细胞核测序（snRNA-seq）是一种新兴崛起的技术手段，它可能有助于解决许多此类问题。最近一项对小鼠肾脏的研究利用标准的scRNA-seq流程比较了许多snRNA-seq平台，发现snRNA-seq方法可以检测更少的应激相关基因，并增加对特定细胞类型（包括足细胞、内皮细胞和闰细胞等）的检测。此外研究发现，纤维化肾脏的snRNA序列揭示了全新而罕见的分群，导致肾纤维化过程中细胞成分的分辨率大大提升。考虑到本文中概述的snRNA-seq的优点以及人体组织冷冻技术的不断优化，snRNA-seq的使用在未来几年可能会大幅增加，进一步扩展我们对纤维化疾病潜在机制的理解和认识。
快速发展的单细胞转录组领域已经在不同组织纤维化方面产生了重要的基础研究发现和临床应用价值。此外，如单细胞表观基因组学、单细胞蛋白质组学和空间转录组学等技术的发展与革新，将以更高的分辨率进一步明确纤维化过程中细胞分子机制。这些前沿的技术方法将促进我们对不同形式的组织纤维化的理解更加具体明晰，并为治疗纤维化患者提供合理的、潜在的药物靶点。
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