DSP空间组学助力子宫内膜异位症研究
子宫内膜异位症是一种常见的妇科疾病，其特征是子宫内膜组织在子宫外生长，导致疼痛、不规则月经和生育问题。该病的发病机制尚不完全清楚，但可能与遗传因素、免疫系统异常和环境等多种因素有关。近年来，研究人员通过分子生物学和遗传学等方法逐渐揭示了该疾病的复杂性。目前的研究主要集中在探究子宫内膜异位症的发病机制、诊断方法和治疗策略，以便为患者提供更有效的管理和治疗手段。本研究采用空间转录组学技术，对子宫内膜异位症病变组织进行了分析，揭示了上皮细胞和巨噬细胞之间的相互作用。通过这种方法，研究人员发现在子宫内膜异位症病变中，上皮细胞和巨噬细胞之间存在密切的相互作用，为进一步理解该疾病的发病机制提供了重要线索。
01 文章详情
文章题目：Spatial Transcriptomic Analysis Identifies Epithelium- Macrophage Crosstalk in Endometriotic Lesions
中文题目：空间转录组学分析用于子宫内膜病变中的上皮-巨噬细胞互作研究
实验平台：DSP空间转录组学
发表杂志：bioRxiv
DOI：10.1101/2024.03.23.586434
02 技术路线
03 研究结果
1. 人类浅表腹膜病变的空间转录组学分析
本研究通过空间转录组学技术详细分析了人类浅表腹膜子宫内膜异位病变的基因表达特征。研究收集了来自5名患者的浅表腹膜病变和匹配的子宫内膜样本，并通过DSP平台对这些样本进行了空间转录组学分析。在数据处理过程中，经过严格的质量控制和基因过滤，最终保留了7945个基因用于进一步分析。研究发现，病变组织中的上皮细胞与巨噬细胞之间存在显著的信号传导，特别是在补体和MHC-II类信号通路方面，这些通路在炎症反应中起重要作用。此外，基因表达模式的比较显示，上皮细胞和间质细胞在病变组织和匹配的子宫内膜中具有显著相似性，病变组织中的巨噬细胞表现出显著的基因表达差异。总体而言，这些结果揭示了子宫内膜异位病变中不同细胞类型的复杂相互作用，尤其是上皮细胞在驱动炎症反应中的关键作用，为进一步理解子宫内膜异位症的发病机制提供了新的见解。
Fig.1 空间转录组学的分割策略
Fig.2 在位子宫内膜浅腹膜子宫内膜异位病变的空间转录组学结果
2. 上皮和间质标记基因在病变和子宫内膜中的相似性
通过对比正常子宫内膜和子宫内膜异位病变组织中的上皮和间质标记基因，发现二者的基因表达模式非常相似。研究人员比较了子宫内膜和病变组织中的上皮细胞和间质细胞，发现共有1372个和1313个差异表达基因(DEG)，其中14个在两组中都排名前20。基因表达模式在两种组织中显示出高度相似，相关系数为0.81。此外，GO分析结果也与细胞类型一致，间质中富集了血管化、细胞外基质和细胞粘附相关的条目，而上皮细胞中则富集了细胞分化和细胞连接相关的条目。这些结果表明，尽管存在一些特定于病变组织的基因表达变化，但总体上，子宫内膜和子宫内膜异位病变组织中的上皮和间质细胞在分子水平上表现出显著的相似性。
Fig.3 在位子宫内膜和病变中的上皮与基质细胞特征
3. 子宫内膜异位病变的间质变化较小
研究人员通过对比子宫内膜和子宫内膜异位病变组织中的间质细胞，发现病变组织中的间质细胞基因表达变化较小。通过空间转录组学分析发现，仅有两个基因在病变间质中下调，这表明间质细胞在基因表达上基本保持稳定。基因集富集分析（GSEA）发现病变间质中增加了四个与炎症相关的基因集，而两个基因集减少，尽管整体基因表达变化较小，但病变间质中仍存在特定的炎症反应。此外，功能富集分析显示，间质中富集了血管化、细胞外基质和细胞粘附相关的条目，在子宫内膜和病变组织中的表达非常相似，表明间质细胞在两种组织类型中的功能和基因表达模式基本一致。
Fig.4 与在位子宫内膜相比，子宫内膜下上皮间质细胞的改变最小
4. 免疫反应基因在病变上皮中的增加
研究人员发现子宫内膜异位病变的上皮细胞中免疫反应显著增加。通过空间转录组学分析，子宫内膜异位病变上皮细胞与匹配的正常子宫内膜上皮细胞在基因表达上存在显著差异，特别是在与免疫相关的基因上。差异分析发现76个差异表达基因，其中33个基因显著上调，包括补体3（C3）和多个主要组织相容性复合体（MHC）II类相关基因，如CD74和HLA-DRB1。GSEA分析显示，病变上皮细胞中炎症和增殖相关的信号通路显著增加。GO富集分析显示，上调的基因中有9个与免疫反应相关。这些发现表明，子宫内膜异位病变上皮细胞在驱动炎症反应中起关键作用，为进一步理解子宫内膜异位症的发病机制提供了新的见解。
Fig.5 免疫反应基因在子宫内膜异位病变上皮中增加
5. 子宫内膜和病变组织中的间质和上皮细胞关系
研究人员发现，无论是间质还是上皮细胞，都没有按照组织来源（子宫内膜或病变）进行聚类。通过对间质和上皮细胞进行层次聚类分析，发现这些细胞并未根据其来源组织（子宫内膜或病变组织）聚类，而是更倾向于按照患者个体进行聚类。PCA进一步显示不同患者的组织样本在基因表达上存在显著差异，而组织类型（子宫内膜或病变）对基因表达的影响较小。
Fig.6 与在位子宫内膜相比，基质和上皮均未聚类
6. 病变中的巨噬细胞发生改变
研究人员发现子宫内膜异位病变中的巨噬细胞在基因表达上发生了显著变化。DEG分析发现，共有148个基因在病变巨噬细胞中发生显著变化，其中35个基因上调，113个基因下调。GSEA分析显示，病变巨噬细胞中炎症相关的基因集显著增加，包括TNF-α通过NF-κB信号通路、炎症反应、移植物排斥和IL2-STAT5信号通路等。这些结果表明，子宫内膜异位病变中的巨噬细胞具有高度炎症性，并可能由单核细胞衍生的巨噬细胞主导，这与正常子宫内膜中的组织驻留巨噬细胞不同。
7. 配体-受体分析确定病变中上皮-巨噬细胞信号轴
在这部分研究中，研究人员通过配体-受体分析识别出子宫内膜异位病变中的上皮细胞和巨噬细胞之间的信号轴。使用CellChat进行配体-受体分析，发现病变组织中共有26条信号通路，而正常子宫内膜中有24条，且21条通路在两者中都存在。配体-受体分析揭示了病变上皮细胞和巨噬细胞之间的信号传导显著增加，特别是补体和MHC-II信号通路。具体而言，上皮细胞向巨噬细胞的信号传导在病变中增加了3.7倍。信号路径强度热图显示，病变组织中上皮细胞和巨噬细胞之间的相互作用最强。进一步的配体-受体分析表明，补体和MHC-II配体主要来自病变上皮细胞，并与巨噬细胞上的受体结合。总体而言，这些发现强调了上皮细胞在驱动病变组织炎症反应中的关键作用，揭示了上皮细胞通过信号传导调节巨噬细胞表型以支持病变发展的机制。
Fig.7 巨噬细胞在子宫内膜异位病变中发生改变
04 主要结论
本研究通过空间转录组学技术对子宫内膜异位症病变进行了详细分析，揭示了病变组织中不同细胞类型之间的复杂相互作用。研究发现，子宫内膜异位病变中的上皮细胞与巨噬细胞之间存在显著的相互作用，特别是在补体和MHC-II类信号通路方面，这些通路在驱动炎症反应中起关键作用。尽管子宫内膜异位病变组织中的上皮细胞显示出显著的基因表达变化，但间质细胞在基因表达上与匹配的子宫内膜间质细胞基本保持一致，变化较小。巨噬细胞在病变组织中表现出高度炎症性，主要由单核细胞衍生的巨噬细胞主导，这与正常子宫内膜中的组织驻留巨噬细胞不同。通过配体-受体分析，识别出了病变上皮细胞和巨噬细胞之间的显著信号传导，特别是补体和MHC-II信号通路，进一步强调了上皮细胞在驱动病变组织炎症反应中的关键角色。总的来说，这些发现为进一步理解子宫内膜异位症的发病机制提供了新的见解和研究方向。
