scRNA-seq 多发性硬化症的CSF白细胞及其来源组织进行特征分析
scRNA-seq 多发性硬化症的CSF白细胞及其来源组织进行特征分析
本周推文来分享一篇文献。
文章信息：
文章题目：A single-cell analysis framework allows for characterization of CSF leukocytes and their tissue of origin in multiple sclerosis 期刊：Sci Transl Med 日期：2022 Nov 30 DOI：10.1126/scitranslmed.adc9778
所用数据集：
所有先前发表的数据集都是从公共存储库[国家生物技术信息中心(NCBI)基因表达Omnibus, Synapse]下载或从相应出版物的对应作者处获得。 其中4个包含CSF白细胞的数据[GSE133028(64)、GSE163005(65)、GSE138266(15)和syn21904732(19)]， 3个包含CNS细胞的数据[GSE155488(66)、GSE146165(67)和GSE124335(33)]。 在所有研究中，只使用了感兴趣的样本，只从GSE163005(5个对照组和5个MS)和GSE133028(3个对照组和12个MS)中提取了对照和MS CSF样本，只从syn21904732中提取了两个MS CSF样本，所有质量控制通过的样本(4个对照和4个MS)都从GSE138266中提取了，只从GSE155488中提取了非胎儿样本，只从GSE146165和GSE124335中提取了人脑样本。此外，GSE155488含有非免疫细胞，如少突胶质细胞、内皮细胞和其他根据缺乏PTPRC表达(编码CD45)识别的细胞，并在与其他数据集集成之前通过独立的聚类前方法去除。
文章简介：
外周中枢神经系统(CNS) 浸润淋巴细胞是复发缓解型多发性硬化症(MS) 的标志。组织驻留记忆T细胞(TRM) 不仅存在于健康的中枢神经系统实质，而且被怀疑有助于多发性硬化症的病理。由于脑脊液(CSF) 与中枢神经系统实质不同，可用于诊断，文章中除了评估了人脑脊液除了浸润细胞外，还评估了是否包含从实质或边缘组织流出的TRM细胞和中枢神经系统驻留的髓样细胞。
使用深度生成模型，文章中整合了来自8个独立研究的41个CSF和14个CNS软组织单细胞RNA测序(scRNAseq)样本，包括120,629个细胞。
结果分析：
组织相关的单个核细胞是脑脊液免疫系统的一部分
单个核细胞被聚集并注释为代表白细胞谱系，如髓系细胞、CD8 T细胞、CD4 T细胞、自然杀伤(NK)细胞和B细胞。由于它们的个体发育不明确，浆细胞样树突状细胞被视为一个单独的谱系 (图1D) 。MS CSF富集淋巴细胞，尤其是B细胞(图1E)，而MS CSF中的髓系细胞比例低于对照组。那他珠单抗治疗显著降低了淋巴细胞计数。然而，尽管CD4 T细胞和B细胞呈比例减少，但CD8 T细胞和髓系细胞的比例较高(图1E)。一般而言，与对照相比，在MS CSF中观察到的谱系比例变化与肿块型MS病灶与对照脑实质相比的差异相关(图1F和G)。
脑脊液中的髓系细胞组成反映了中枢神经系统及其边缘组织，但在多发性硬化症中以浸润性树突状细胞为主。
图2 (A) 髓系谱系的亚组策略和流形图。(B) 矩阵图显示了各自集群的标记基因的选择。(C) 流形图显示数据集子集为CSF(左上)或CNS样本(右上)，以及小鼠bam特异性(左下)或mg特异性(右下)转录谱的表达;箱形图表示簇间的剖面表达(27)。(D) 箱形图显示了对照组(n = 12)， MS (n = 24)和MSN (n = 5)(左)脑脊液中髓系亚群的频率，条件特定流形图的下采样显示每个条件的细胞数量相等(右)。采用线性回归进行统计学分析。(E) 流式细胞术细胞计数(细胞/ml)显示了对照组(n = 7)， MS (n = 25)和MSN (n = 4)的脑脊液mdc。(F) CNS样本的甜甜圈图显示了对照组(n = 9)或病变肿块型MS组织(n = 3)的集成流形图。
CSF和CNS之间的比较揭示了组织常驻记忆CD8 T细胞的表型多样性。
图3 (A) 对照组(n = 129)、MS组(n = 145)和MSN组(n = 41)脑脊液中CD8 T细胞的流式细胞术计数(以细胞/ml为单位)。(B) CD8 T细胞谱系重聚后的子集策略和流形图。(C) 矩阵图显示了各自集群的标记基因的选择。(D) 通过从小鼠(仅Kurd等人)和人类研究中获得的TRM转录谱的表达来显示流形图，并用箱形图表示富集。蓝色的虚线表示TRM集群的边界。(E) 箱形图显示了对照组(n = 12)， MS (n = 24)和MSN (n = 5) 的脑脊液中CD8 T细胞亚群的频率(顶部)，条件特异性流形图向下采样，显示每个条件下的细胞数量相等(底部)。采用线性回归进行统计学分析。(F) Donut图显示了对照(n = 5)或病变肿块型MS组织(n = 3)中CNS样本的CD8 T细胞亚群，并对各自的情况进行了集成流形图。
在CD4 T细胞中，CCR5hi TH17.1细胞表现出最强的组织保留潜力，MS复发以T滤泡辅助细胞和调节性T细胞的增加为标志。
图4 (A) 对照组(n = 129)、MS (n = 145)和MSN (n = 41) CSF中的CD4 T细胞的流式细胞术细胞计数(以细胞/ml为单位)。(B) 展示了重新聚集后的CD4 T细胞谱系的子集策略和流形图。(C) 矩阵图显示了各自集群的标记基因的选择。(D) 通过人类CD4辅助转录谱的表达以彩色显示流形图，箱形图表示富集。转录谱显示了CD4 TEMRA, TH1, TH17, TFH, TH2 (34)， TH22(35)，和CCR5作为CCR5hi TH17.1细胞的标记(8)。(E) 箱形图显示了对照组(n = 12)， MS (n = 24)和MSN (n = 5) CSF中CD4 T细胞亚群的频率(顶部)，条件特异性流形图的下采样显示每种条件下的细胞数量相等(底部)。采用线性回归进行统计学分析。(F) 甜甜圈图显示了对照(n = 6)或病变肿块型MS组织(n = 4)中CNS样本的CD4 T细胞亚群，并为各自的情况绘制了集成流形图。
在脑脊液中可以始终发现组织常驻的NK细胞表型，而B细胞在很大程度上仅限于MS。
图5 中枢神经系统组织常驻NK细胞驻留在脑脊液中。(A)流式细胞术显示了对照(n = 129)、MS (n = 145)脑脊液中的NK细胞计数(以细胞/ml为单位) MSN (n = 41)样本。(B)显示了NK细胞谱系的子集策略和流形图。(C)显示了为各自簇选择标记基因的矩阵图。(D)箱形图显示对照(n = 12)、MS (n = 23)和MSN (n = 4)脑脊液中的NK细胞亚群(左)，并对特定条件的流形图进行下采样，以显示每种条件下相同数量的细胞(右)。
总结：
文章中首先发现髓系由浸润细胞和组织源性细胞组成。对照组脑脊液中CCR2+ VCAN+单核细胞、CD1C+ mdc等外周血髓系细胞比例较低，但BAMs比例较高，表达LYVE1、MRC1等共同标志物。在传统上认为局限于CNS实质的CSF中也观察到MG细胞。文章中表明在转录水平上有相似之处，但仍需要进一步的实验研究来研究脑脊液中MG、癫痫丛巨噬细胞和活化的MG之间的关系。BAMs和MG属于CNS相关细胞，占对照CSF髓系细胞的60% ~ 90%，提示CSF的髓系细胞组成是由CNS及其周围组织塑造的。
与髓系细胞不同，T细胞在中枢神经系统实质中数量较少，CD8 T细胞数量超过CD4 T细胞(10)。尽管在本研究中，与活动性MS相比，那他珠单抗治疗使CSF中CD8 T细胞的总体计数减少，但在VLA-4阻断期间，CD8 T细胞的比例增加。
在CD4 T细胞中，文章中鉴定出TH1, TH17, TFH, Treg，TEMRA、TH2/TH22和CCR5hi TH17.1亚群(8)。此外，我们发现，在纳他珠单抗治疗期间，除了CD4 T细胞计数降低外，CD4 T细胞的比例也发生了变化CCR5hi TH17.1表型。这与对照CNS实质中高比例的CCR5hi TH17.1细胞相一致，表明这些细胞代表了主要的组织监视CD4 T细胞子集。
此外，文章中鉴定了NK细胞亚群，包括NK样ILC亚群NKbright和NKdim，以及另外一个对应于TR-NK细胞的亚群，它们表达经典的定居标记(42)。由于在那他珠单抗治疗期间，这些TR-NK细胞占NK人群的50%，因此涉及组织来源。为了证实这一点，对snRNAseq数据的重新分析显示，在对照CNS中也有类似的子集。NKdim和NKbright细胞比例均明显降低，提示这些细胞以浸润为主。