文献解读丨两种肺动脉高压大鼠模型的单细胞

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单细胞转录组测序已然是精准科学研究的利器，不仅可以精细化表征细胞图谱，还可以增强我们对临床前动物模型的分子理解，促进其合理使用和解释。年4月15日法国学者JasonHong等人在医学一区呼吸系统杂志AmJRespirCritCareMed（IF=17.）发表了利用单细胞测序研究肺动脉高压大鼠模型肺的细胞和分子特征的文章，并做了详细的验证和药理探究。一起来看看吧！两种肺动脉高压大鼠模型的单细胞研究揭示了与人类病理生物学和药物再定位的关系Single-CellStudyofTwoRatModelsofPulmonaryArterialHypertensionRevealsConnectionstoHumanPathobiologyandDrugRepositioning

研究背景

肺动脉高压（PAH）目前仍然是一种无法治愈的进行性疾病，其特征是严重的肺血管重构、不良的生活质量和长期的预后监督。除了肺血管细胞外，肺中的其他细胞类型（包括各种免疫细胞群）也可能在PAH和其他肺部疾病中起重要作用。当前对于常用的PAH模型的细胞和分子格局以及转化价值了解甚少。本研究首次在单细胞分辨率下揭示了两种常用PAH模型中基因和途径的特有和共有的失调，并证明了它们与人PAH的相关性以及药物重新定位的实用性。

研究思路

图1研究思路图

研究结论

1.scRNA-seq可在PAH大鼠模型中鉴定出多种肺细胞类型研究者首先通过超声心动图，免疫组织化学和右心室血流动力学检测证实了MCT和SuHx大鼠的PAH表型。质控后，对18个肺（n=6/组）的33,个细胞进行了scRNA-seq分析。

图2scRNA-seq分析的研究设计示意图

根据已知的marker基因，共确定了28种不同的细胞类型，包括上皮细胞、基质细胞、淋巴样细胞和髓样细胞群体以及稀有群体（包括常规树突状细胞（cDC）和调节性T细胞（Treg））。与对照组相比，可以观察到MCT中的间质巨噬细胞（iMΦs）和SuHx中的肺泡巨噬细胞（aMΦs）的比例显著增加。

图3多种肺细胞类型鉴定

接着研究者还对来自SuHx、MCT和对照组大鼠（n=4/组）的另一组肺组织对两种特定细胞类型（常规树突状细胞（cDCs）和调节性T细胞（Tregs））进行常规FACS和bulkRNA-seq验证了scRNA-seq细胞类型的同一性和比例。2.scRNA-seq揭示了PAH模型的单个细胞类型中的DEG和途径在17种细胞类型中，分别在MCT和SuHx中鉴定出和个DEG（FDR0.05）。细胞类型和疾病模型之间的DEG点图显示了差异表达特定于疾病模型和特定细胞类型的基因。在MCT和SuHx中，总共有和个DEG分别对一种细胞类型具有特异性。DEG的途径富集揭示了许多途径的细胞类型特异性失调。模型之间最明显的差异是MCT中多种细胞类型中干扰素（IFN）信号的强烈下调，而SuHx中的信号更弱或方向相反。图4基于Hallmark途径的GSEA分析3.RNA原位杂交和免疫荧光验证所选的DEG鉴于在上述分析结果中显示的非经典单核细胞（ncMonos）的重要性，研究者在大鼠和人的肺切片上通过RNAISH验证了来自ncMonos的DEG，Ccrl2和Fabp4。在大鼠肺中采用免疫荧光（IF）进一步证实了对这两种蛋白的类似上调。图5RNA原位杂交和免疫荧光4.大鼠scRNA-seqDEG与人PAH基因的整合分析，发现与人PAH相关的血管细胞类型的扰动从DisGENET和CTD整理了涉及PAH的基因，并证明了富集于这些公共基因集的主要途径在本研究大鼠的scRNA-seq中也高度富集。使用Mergeomics进一步将大鼠scRNA-seq与PAHGWAS整合，以评估人类相关性。结果发现两种模型中来自髓样和淋巴样起源的许多免疫细胞在DEG中的GWAS信号均显著富集，支持大鼠模型中的DEG与人类PAH发病机制有关。鉴于肺血管细胞类型对PAH发病机制的重要性，研究者对内皮动脉亚群EA1和EA2以及SMC和Fb进行了更详细的分析。结果显示PAH中许多已建立和未知基因的模型和细胞类型特异性改变以及不同的途径失调。图6SuHx或MCT与对照的血管细胞类型内的DEG5.将大鼠DEG与ConnectivityMap集成在一起，确定潜在的候选药物以进行重新定位为了研究scRNA-seqDEGs识别现有药物对PAH的治疗潜力的实用性，针对CMap在人类细胞系中测试的数千种药理扰动分子的分子谱筛选了所有细胞特异性转录标记。药物连通性概况的比较显示出有趣的模式。例如，目前在PAH患者中使用的内皮素受体拮抗剂波生坦和已完成PAH2期临床试验的钙神经素抑制剂他克莫司在细胞类型和疾病模型上的连通性非常相似，表明可能归因于多种途径类似于BMP信号的激活。接下来还研究了预测会逆转SuHxncMonos转录特征的药物，SuHxncMonos富含与PAH相关的基因和途径。在筛选出的种化合物中，ncMonos中SuHxDEG逆转作用最强的药物是曲前列环素treprostinil，它是目前使用的最有效的PAH靶向疗法之一。图7使用连通性图（CMap）识别预测可逆转大鼠疾病特征的药物

总结

在这项研究中，发现了两种广泛使用的PAH动物模型在肺中的单细胞分辨率下已改变的基因和途径的全面细胞景观。SuHx和MCT之间比较显示出关键细胞类型的关键相似点和不同点。将大鼠scRNA-seq与人类数据进行整合以确定人类相关性，并与药物转录组数据进行整合以识别潜在的药物替代用途。最后，研究人员还为更广泛的研究社区提供了一个开放访问平台，以共享单细胞数据和候选药物的研究。

参考文献

HongJason,ArnesonDouglas,UmarSobanetal.Single-CellStudyofTwoRatModelsofPulmonaryArterialHypertensionRevealsConnectionstoHumanPathobiologyandDrugRepositioning.AmJRespirCritCareMed,,:-.

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