Defining transcriptomic niches in human fibrotic lung with multi-sample spatial transcriptomics analysis using the MAPLE algorithm

人类的肺部是一个广阔而复杂的景观，空气在此与血液交汇，这种微妙的交换维持着我们的生命。在一种被称为特发性肺纤维化的疾病中，这一景观正在被缓慢地改变。健康的、富有弹性的组织正被厚实、僵硬的疤痕组织所取代，就像一片郁郁葱葱的花园正被混凝土侵占。这一过程并非均匀发生；它是以斑块的形式进行的，使得肺部的某些区域相对未受影响，而另一些区域则遭到破坏。几十年来，科学家们已经了解到这种疾病涉及多种不同细胞类型的混乱混合，但他们一直难以观察到这些细胞是如何在空间中排列的。研究细胞的传统方法通常涉及将组织样本研磨成粉，这破坏了每个细胞原本所在位置的地图。失去了这张地图，就无法理解相邻的细胞是如何相互交流，以及疾病是如何从一个斑块扩散到另一个斑块的。

为了解决这个问题，研究团队开发了一种能够保留肺部地理特征的新方法。他们使用了一种称为空间转录组学（spatial transcriptomics）的技术，该技术允许科学家在保持细胞在组织中精确位置的同时，读取细胞内的遗传指令。然而，分析这类数据非常困难，因为它涉及来自不同患者的许多不同样本，每个样本都有其独特的差异。研究人员创建了一种新的计算机方法，将其命名为 MAPLE，旨在将这些独立的地图缝合在一起，构成一幅连贯的图景。通过将该方法应用于来自健康捐赠者和严重纤维化患者的肺组织，他们揭示了混沌中隐藏的秩序。他们发现，疾病并不仅仅是同时发生在所有地方；相反，它遵循特定的区域规则。在肺的上部，损伤是由大量结构蛋白的堆积驱动的；而在下部，疾病则是由一种聚集在特定邻里区域的独特免疫细胞所推动的。

研究人员首先收集了四个人的肺组织：两名健康人士和两名晚期纤维化患者。他们采集了来自肺部上部和下部的样本，并以一种能保持细胞完整的形式保存组织。利用一种高科技成像系统，他们捕捉了跨越这些组织切片的数千个微小点的遗传活动。每个点都包含多种细胞的混合物，目标是确定那里存在什么样的细胞以及它们是如何组织的。新的 MAPLE 算法充当了一个精密的向导，根据遗传特征和位置将这些点分组为不同的区域。它通过同时学习所有样本来运作，既识别出患者之间共同的模式，又兼顾了上叶和下叶之间的差异。

一旦区域被绘制出来，团队就能看到一个清晰的疾病进展故事。在健康的肺部，组织由构成气囊和血管的细胞主导，这些是气体交换的重要工作者。随着疾病从健康组织向纤维化肺的上叶移动，并最终向下叶蔓延，这些必需的细胞逐渐消失。取而代之的是另一种类型的细胞：间质细胞（mesenchymal cells）。这些细胞负责构建身体的结构框架，但在纤维化过程中，它们变得过度活跃，铺设了过多的疤痕组织。研究人员观察到一种持续的转变：健康的、进行气体交换的细胞被这些造疤细胞所取代，这种转变在患病肺部的下部变得最为极端。

研究还表明，肺的上部和下部不仅受损方式不同，其受损机制也各异。在上叶，纤维化区域的特征是细胞外基质（即支撑细胞的支架）的大规模重构。该区域富含构建胶原蛋白和其他结构蛋白的基因。相比之下，下叶讲述了另一个故事。在这里，纤维化区域被 B 细胞（一种特定的免疫细胞）的密集聚集所包围。研究人员使用第二种更高分辨率的成像技术证实了这一发现，该技术可以观察单个细胞。他们看到，这些 B 细胞并非随机漂浮，而是紧密地聚集在纤维化疤痕周围，这表明在肺部的特定部分，免疫系统与瘢痕化过程之间存在密切且活跃的关系。

另一项关键发现涉及衰老细胞（senescent cells）的存在，它们常被称为“僵尸”细胞。这些细胞已经停止分裂但拒绝死亡，反而会释放出可能伤害邻近细胞的信号。研究人员发现，这些衰生细胞并非均匀分布在整个肺部，而是集中在紧邻一种奇怪的、异常的细胞——异常基底样细胞（aberrant basaloid cell）的特定位置。这些基底样细胞是严重的肺损伤及修复功能失调的标志。数据展示了强烈的空间联系：在发现这些异常基底样细胞的地方，衰老细胞的数量也同样很高。这表明，这些有害的、非分裂细胞的积累与这些异常修复细胞的扩张密切相关，从而创造了一个可能驱动疾病进程的局部环境。

这项工作为理解像纤维化这样复杂的疾病如何在体内组织提供了新的框架。通过结合多名患者的数据并考虑肺部的特定地理位置，研究人员得以观察到如果单独研究每个样本时会被忽略掉的模式。他们证明了该疾病并非单一、均匀的过程，而是一系列区域性程序的集合，每个程序都有其独特的免疫细胞、结构变化和细胞行为。他们开发的新方法 MAPLE 提供了一种探索任何组织中这些空间关系的方法，帮助科学家超越简单的基因列表，实现对细胞在其自然环境中如何相互作用的真正理解。这种方法不仅描述了肺部出了什么问题，还准确展示了破坏发生的地点和方式，为未来研究如何阻止或逆转瘢痕化过程提供了更清晰的路径。